钢筋混凝土框架结构动力失效研究-东南大学学报自然科学版.PDF

第３０卷第５期 东南大学学报（自然科学版） Ｖｏｌ３０Ｎｏ５ 　 ２０００年９月 ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＯＵＴＨＥＡＳＴＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ） 　 Ｓｅｐｔ．２０００ 　　　　　　 钢筋混凝土框架结构动力失效研究 高仲学　 王修信　 王恒华　 席　瑶　邰扣霞 （东南大学土木工程学院，南京２１００９６） 摘　要　分析了强震作用下结构动力失效的机理以及预报结构的倒塌和确定结构的 安全系数，根据非线性动力模型编制了ＮＤＡＰ（结构非线性动力分析）程序来分析钢 筋混凝土框架结构在强震作用下的反应，通过对框架结构的塑性铰形成过程的计算 机模拟，分析了框架结构非线性动力失效的机制，并通过算例分析了二阶效应对强震 作用下结构倒塌的重要影响和预告作用． 关键词　框架结构；混凝土结构；动力失效；二阶效应；塑性铰 分类号　ＴＵ３７ 大地震的重要特点是建筑物在大变形下的普遍倒塌．为了提高结构的抗震性能，降低地震 荷载效应，目前较多采用高耸纤细的柔性悬臂梁体系，以适当减小结构的整体刚度，以便减小 结构的弹性地震作用，但在校核地震（罕遇地震）或剧烈风暴时在较大的水平荷载作用下其层 间位移及整体侧移都较大，部分构件进入弹塑性状态或者接近破坏，其变形速度加快，竖向构 件由于轴线弯曲产生的二阶效应（或附加弯矩）又大大加剧了构件的破坏过程，尤其是可能造 成结构的整体崩溃［１］．一些完全符合目前规范中水平位移（整体侧移及层间侧移）限值及设计 烈度规定的高层建筑在地震后都出现了大大超出设计所允许的破坏程度［２，３］，如柱子过早出 现塑性铰或局部失效产生压碎、坍塌．破坏的比例随建筑总高度增加有增大的趋势［４］．综合各 种研究说明，高层建筑动力失效的形态和机理目前远没有了解清楚．其抗震设计与安全度评估 中需要对非线性动力失效问题进行深入的理论分析和试验研究． 结构动力失效根据结构安全性和适用性要求的差异分为多个层次，如适用性失效和承载 力失效等．结构整体倒塌是承载力失效最严重的一个层次．目前大量兴建的高层建筑能否经受 得住像台湾大地震相当烈度的地震考验，各个建筑最高到底能够经受多少烈度的强烈地震，现 有的设计理论、设计规范和计算软件尚难给出确定的结论． 本文的分析重点是模拟塑性铰的开展过程并检查结构侧移发散情况判断结构是否失效． 首先分析强震作用下结构非线性动力失效的机理，根据所提出的数学模型编制的结构动力失 效分析程序，对框架结构的塑性铰形成和破溃过程进行计算机模拟，分析了钢筋混凝土框架结 构非线性动力失效的某些原因和破坏机制；并通过算例分析了二阶效应对强震作用下结构倒 塌的重要影响． 江苏省基础研究基金资助项目（ＢＪ９７０２３）． 　 收稿日期：２０００－０４－１８．　第一作者：男，１９７３年生，博士研究生． ８２ 　　东南大学学报（自然科学版）　　　　　　　　　　　　第３０卷 １　结构动力失效分析模型 为了准确计算出结构各部位在地震动作用下 的动力响应，本文采用杆系模型进行弹塑性动力 失效分析，所编制的非线性动力分析程序 ＮＤＡＰ （ｎｏｎｌｉｎｅａｒｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓｐｒｏｇｒａｍ）可计算钢筋 混凝土或钢骨混凝土结构［５］．该程序中，单元模型 采用单分量杆模型［６］（见图１），假设单元的塑性 铰出现部位集中在杆单元的两结点附近，单元的 塑性变形集中在两端的弹簧上．对于ｉ端，Ｍ，Ｎ， 图１　单分量杆单元模型 ｉ ｉ Ｖ分别表示杆端的弯矩、轴力、剪力； ， 为杆端 θα ｉ ｉ ｉ 转角和塑性转角；Ｋ为弹性刚度；ｆ为刚度折减系数；ｊ端类同．根据杆单元两端进入塑性的不 ｉ ｉ 同状态，变换单元刚度矩阵并对整体刚度矩阵进行修改． 程序ＮＤＡＰ中可采用的恢复力模型有：Ｏｓｇｏｏｄ模型、二线型退化模型、三线型退化模型． 本文计算过程均采用了二线型退化恢复力模