钢筋混凝土异形柱框架结构抗震性能及性能设计方法研究
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摘要
钢筋混凝土异形柱框架结构是近年来推广使用的一种新型结构体系，其抗震性能一直被人们所关注。研究异形柱框架结构的抗震性能及设计方法，有重要的理论意义和实用价值。
目前国内外研究者对异形柱构件抗震性能的试验研究较为深入，对异形柱框架结构的试验研究则相对较少；对异形柱框架结构基于力的设计方法的研究较多，对基于位移的抗震设计方法的研究则尚属空白，而后者代表了未来结构抗震设计的发展方向。因此，本文将研究异形柱框架结构的抗震性能及基于位移的抗震设计方法。完成了以下主要工作：
(1) 对钢筋混凝土异形柱框架结构1／2比例模型进行了拟静力试验；研究了这种结构在地震作用下的受力特点、变形能力、耗能能力以及破坏机理等；分析比较了由异形柱组成的框架与单个异形柱在延性方面的差别，以及异形柱框架与砌体填充墙之间的相互作用及其对结构水平承载力和侧向刚度的影响；对异形柱框架结构的抗震性能进行了评价。
(2) 对异形柱框架结构的侧向刚度和水平承载力的计算方法进行了分析研究。对异形柱框架分别按普通框架和壁式框架进行分析，并与空间有限元分析结果和试验结果进行比较，提出了异形柱框架结构侧向刚度的计算方法；在整体结构不产生扭转且异形柱为弯曲破坏的假定下，提出了异形柱的受弯承载力及受剪承载力计算公式；提出了根据异形柱框架结构的破坏机构确定其楼层受剪承载力的方法。
(3) 对静力弹塑性分析方法(Pushover Analysis)进行了分析研究。根据结构动力学原理，提出了首先按各振型的水平地震力进行推覆分析，然后将各振型的推覆分析结果进行组合，得到总地震作用效应。此法适用于多、高层建筑结构的静力弹塑性分析，是对目前通用方法的一种改进。
(4) 将基于性能的设计思想引入异形柱框架结构体系的设计方法中。结合我国建筑结构抗震设计实际，提出了实用的基于位移的抗震设计方法。为了与我国建筑抗震设计规范的设防目标相协调，并便于在设计计算中予以控制，本文将建筑结构的功能划分为三个水平，即使用良好、人身安全和防止倒塌，并采用层间位移角限值来量化框架结构的功能水平。用作用倒三角形水平分布荷载的等截面悬臂柱的侧移曲线作为框架结构的侧移模式，并依此确定等效单自由度体系的等效参数，进而确定原结构的基底剪力和各质点的水平地震作用。用静力弹塑性分析方法对结构进行分析，校核结构的侧移形状并评价构件的变形及强度需求，最后用弹塑性动力时程分析加以验证。算例分析表明，本文方法简单实用，便于操作，而且能够控制结构在不同强度水准下的行为。
The R.C. frame with special-shaped columns is a new structural system. Its aseismatic behavior is always being focused. T he research on the aseismatic behavior and the d esign method is of great theoretical significance and practical value.
There are many researches on the special-shaped columns, but less on the R.C. frame with special-shaped columns. The seismic design of the frame is a force-based seismic design method, while the displacement-based seismic design of the frame remains blank and unsolved, and the latter will be the main seismic design method for the future. The aseismatic behavior and displacement-based design method of R.C. frames with special-shaped columns are studied here. Such work have been done as follows:
1. The pseudo-static tests of three 1/2-scale models R.C. frames with special-shaped columns have been conducted. The load-bearing properties, deformation and energy dissipation capacity and the mechanism of failure for the R.C. frames with special-shaped columns are studied. It makes a comparison in ductility between frames with special-shaped columns and single column. The interaction between infilled-wall and frame with special-shaped columns and its influence to the load bearing capacity and lateral stiffness are studied. Seismic behavior of the structure is evaluated.
2. Research has been done on the calculating methods of lateral stiffness and bearing capacity of the frame. According to experimental studies, finite element analysis and theoretical analysis, it develops to calculate lateral stiffness of frame with special-shaped columns of greater height-width ratio by using frame with rigid zones, and considering shear deformation of beam and columns. Without considering the torsion of the whole structure, assuming the special-shaped column in the RC frame is flexural failure under uniaxial eccentricity force, putting forward the calculation method of flexural strength of special-shaped columns and the shear strength in a story for R.C. frame with special-shaped columns. Bringing forwarding the calculating method of shear bearing capacity in a story according to the failure mode.
3. Research has been made on pushover analysis. Developed herein is an improved pushover analysis procedure based on structural dynamics theory. Which retains the conceptual simplicity and computational attractiveness of current procedures with invariant force distribution. In this modal pushover analysis, the seismic demand due to individual using the inertia force distribution for each mode. Combining these modal demands due to the first two or three terms of the expansion provides an estimate of the total seismic demand on inelastic systems. This method is applicable to the design
of muti-story buildings; it's an improvement to the current method.
4. The concept of performance-based seismic design is introduced into design of the new structure. According to the fact of seismic design of our country, a practical displacement-based seismic design method is put forward. The seismic performance level is divided into three: serviceability, life-safety, and collapse protection, hi order to control the performance level of the structure, the three levels are quantified with story drift angles. Applying the inverted triangular distribution of lateral force to the cantilever column with identical section, and the displaced shape of it is regarded as initial lateral displacement mode. On the basis of the theory, the muti-degree-of-freedom system is transformed into single-degree-of-freedom system; the corresponding equivalent parameter is deduced. And then calculate the base shearing and earthquake effect of each mass element. The paper analyze the structure with pushover method, check the displaced shape of it, and evaluate the deformation and strength demand
of the element, then prove the method with elasto-plastic dynamic history analysis. It is demonstrated the method is accurate enough to practical application in building evaluation and design.
目前国内外研究者对异形柱构件抗震性能的试验研究较为深入，对异形柱框架结构的试验研究则相对较少；对异形柱框架结构基于力的设计方法的研究较多，对基于位移的抗震设计方法的研究则尚属空白，而后者代表了未来结构抗震设计的发展方向。因此，本文将研究异形柱框架结构的抗震性能及基于位移的抗震设计方法。完成了以下主要工作：
(1) 对钢筋混凝土异形柱框架结构1／2比例模型进行了拟静力试验；研究了这种结构在地震作用下的受力特点、变形能力、耗能能力以及破坏机理等；分析比较了由异形柱组成的框架与单个异形柱在延性方面的差别，以及异形柱框架与砌体填充墙之间的相互作用及其对结构水平承载力和侧向刚度的影响；对异形柱框架结构的抗震性能进行了评价。
(2) 对异形柱框架结构的侧向刚度和水平承载力的计算方法进行了分析研究。对异形柱框架分别按普通框架和壁式框架进行分析，并与空间有限元分析结果和试验结果进行比较，提出了异形柱框架结构侧向刚度的计算方法；在整体结构不产生扭转且异形柱为弯曲破坏的假定下，提出了异形柱的受弯承载力及受剪承载力计算公式；提出了根据异形柱框架结构的破坏机构确定其楼层受剪承载力的方法。
(3) 对静力弹塑性分析方法(Pushover Analysis)进行了分析研究。根据结构动力学原理，提出了首先按各振型的水平地震力进行推覆分析，然后将各振型的推覆分析结果进行组合，得到总地震作用效应。此法适用于多、高层建筑结构的静力弹塑性分析，是对目前通用方法的一种改进。
(4) 将基于性能的设计思想引入异形柱框架结构体系的设计方法中。结合我国建筑结构抗震设计实际，提出了实用的基于位移的抗震设计方法。为了与我国建筑抗震设计规范的设防目标相协调，并便于在设计计算中予以控制，本文将建筑结构的功能划分为三个水平，即使用良好、人身安全和防止倒塌，并采用层间位移角限值来量化框架结构的功能水平。用作用倒三角形水平分布荷载的等截面悬臂柱的侧移曲线作为框架结构的侧移模式，并依此确定等效单自由度体系的等效参数，进而确定原结构的基底剪力和各质点的水平地震作用。用静力弹塑性分析方法对结构进行分析，校核结构的侧移形状并评价构件的变形及强度需求，最后用弹塑性动力时程分析加以验证。算例分析表明，本文方法简单实用，便于操作，而且能够控制结构在不同强度水准下的行为。
The R.C. frame with special-shaped columns is a new structural system. Its aseismatic behavior is always being focused. T he research on the aseismatic behavior and the d esign method is of great theoretical significance and practical value.
There are many researches on the special-shaped columns, but less on the R.C. frame with special-shaped columns. The seismic design of the frame is a force-based seismic design method, while the displacement-based seismic design of the frame remains blank and unsolved, and the latter will be the main seismic design method for the future. The aseismatic behavior and displacement-based design method of R.C. frames with special-shaped columns are studied here. Such work have been done as follows:
1. The pseudo-static tests of three 1/2-scale models R.C. frames with special-shaped columns have been conducted. The load-bearing properties, deformation and energy dissipation capacity and the mechanism of failure for the R.C. frames with special-shaped columns are studied. It makes a comparison in ductility between frames with special-shaped columns and single column. The interaction between infilled-wall and frame with special-shaped columns and its influence to the load bearing capacity and lateral stiffness are studied. Seismic behavior of the structure is evaluated.
2. Research has been done on the calculating methods of lateral stiffness and bearing capacity of the frame. According to experimental studies, finite element analysis and theoretical analysis, it develops to calculate lateral stiffness of frame with special-shaped columns of greater height-width ratio by using frame with rigid zones, and considering shear deformation of beam and columns. Without considering the torsion of the whole structure, assuming the special-shaped column in the RC frame is flexural failure under uniaxial eccentricity force, putting forward the calculation method of flexural strength of special-shaped columns and the shear strength in a story for R.C. frame with special-shaped columns. Bringing forwarding the calculating method of shear bearing capacity in a story according to the failure mode.
3. Research has been made on pushover analysis. Developed herein is an improved pushover analysis procedure based on structural dynamics theory. Which retains the conceptual simplicity and computational attractiveness of current procedures with invariant force distribution. In this modal pushover analysis, the seismic demand due to individual using the inertia force distribution for each mode. Combining these modal demands due to the first two or three terms of the expansion provides an estimate of the total seismic demand on inelastic systems. This method is applicable to the design
of muti-story buildings; it's an improvement to the current method.
4. The concept of performance-based seismic design is introduced into design of the new structure. According to the fact of seismic design of our country, a practical displacement-based seismic design method is put forward. The seismic performance level is divided into three: serviceability, life-safety, and collapse protection, hi order to control the performance level of the structure, the three levels are quantified with story drift angles. Applying the inverted triangular distribution of lateral force to the cantilever column with identical section, and the displaced shape of it is regarded as initial lateral displacement mode. On the basis of the theory, the muti-degree-of-freedom system is transformed into single-degree-of-freedom system; the corresponding equivalent parameter is deduced. And then calculate the base shearing and earthquake effect of each mass element. The paper analyze the structure with pushover method, check the displaced shape of it, and evaluate the deformation and strength demand
of the element, then prove the method with elasto-plastic dynamic history analysis. It is demonstrated the method is accurate enough to practical application in building evaluation and design.
引文
[1] 陈云霞等．T形、L形截面钢筋混凝土双向压弯构件正截面承载力的研究．建筑结构，1999年第1期．
[2] 赵艳静等．钢筋混凝土异形截面双向压弯柱延性性能的理论研究．建筑结构，1999年第1期．
[3] 张玉秋等．钢筋混凝土异形截面柱正截面承载力简化计算．建筑结构，1999年第1期．
[4] 徐向东等．单周及低周反复荷载作用下T形截面框架柱受剪性能的试验研究．建筑结构，1999年第1期．
[5] 巩长江等．L形截面钢筋混凝土框架柱受剪性能的试验研究．建筑结构，1999年第1期．
[6] 王振武等．十字形截面钢筋混凝土双向压弯构件正截面承载力的研究．建筑结构，1999年第1期．
[7] 何培玲等．十字形截面钢筋混凝土双向压弯柱延性的试验及理论研究．建筑结构，1999年第1期．
[8] 李砚波等．钢筋混凝土双向拉弯构件正截面承载力计算及试验研究．建筑结构，1999年第1期．
[9] 曹万林等．不同方向周期反复荷载作用下T形柱的性能．地震工程与工程振动，15卷4期，1995年12月．
[10] 曹万林等．不同方向周期反复荷载作用下L形柱的性能．地震工程与工程振动，15卷6期，1995年3月．
[11] Dundar C. Sahin B. Arbitrarily shaped reinforced concrete members subject to biaxial bending and axial load. Computers and Structures, Vol.49, No.4, 1993.
[12] Cheng Tzu, Thomas Hsu, T shaped reinforced concrete members under biaxial bending and axial load. ACI Structure Journal, July, 1989.
[13] 曹祖同等．钢筋混凝土异形柱框架节点强度的研究．建筑结构，1999年第1期．
[14] 曹万林等．合理确定异型柱框架层刚度的研究．世界地震工程，13卷3期，1997年6月．
[15] 王宝营等．异型柱框架弹塑性变形验算方法．世界地震工程，13卷2期，1997年6月．
[16] 曹万林等．底层带支撑异型柱框架抗震分析初探．地震工程与工程振动，15卷2期，1995年6月．
[17] 曹万林等．异型柱框架结构底层带支撑合理设置研究．地震工程与工程振动，17卷1期，1997年3月．
[18] 曹万林等．轻质填充墙异型柱框架弹性阶段地震作用计算．地震工程与工程振动，17卷3期，1997年9月．
[19] 曹万林等．大开间异型柱框架弹塑性工作性能研究．世界地震工程，2000年3月，16卷1期．
[20] 曹万林等．轻质填充墙异型柱边框架抗震性能试验研究．地震工程与工程振动，1997年6月，17卷2期．
[21] 曹万林等．沿高变刚度设支撑高层大开间异型柱框架抗震性能试验研究．地震工程与工程振动，2000年6月，20卷2期．
[22] 曹万林，王光远等．底层带支撑异型柱框架抗震分析初探．地震工程与工程振动，15(2)，1995年．
[23] 曹万林，王光远等．底层带支撑异型柱框架非线性地震反应分析．地震工程与工程振动，16(4)，1996．
[24] 曹万林等．异型柱框架楼梯间结构层刚度及其衰减过程的试验研究．建筑结构学报，1998年2月，19卷1期．
[25] 朱景敏等．大开间住宅钢筋混凝土异型柱框轻结构的适用范围．建筑结构，1999年第1期．
[26] 杨玉成等．七层钢筋混凝土异型柱支撑框架结构模型振动台试验研究．地震工程与工程振动，15卷1期，1995年3月．
[27] 张同亿等．复合墙异型柱组合结构抗震性能试验研究．西安建筑科技大学学报，2000年6月，32卷2期．
[28] 马乐为等．异型柱小型砼空心砌块12层房屋模态分析试验研究．西北建筑工程学院学报，2001年3月，18卷1期．
[29] 崔慈艳等．水平荷载下底层抽柱的异形柱框架受力分析．福州大学学报，1999年12月，27卷6期．
[30] 罗素蓉等．异形柱空间框架结构的试验研究．福州大学学报，1999年12月，27卷6期．
[31] 王滋军等．中高层大开间钢筋混凝土异形柱框架结构抗震性能研究．地震工程与工程振动，1999年9月，19卷3期．
[32] 高向宇等．多层异型柱框架结构隔震性能的试验研究．世界地震工程，1997年12月，13卷4期．
[33] 石晓蕊等．异型柱斜撑框架结构模型振动台试验及建模．郑州工业大学学报，1999年6月，20卷2期．
[34] 小谷俊介．日本基于性能结构抗震设计方法的发展．建筑结构，2000年第6期．
[35] 王亚勇．我国2000年抗震设计模式规范展望．建筑结构，1999年第6期．
[36] 王亚勇．我国2000年工程抗震设计模式规范基本研究问题综述．建筑结构学报，2000年第1期．
[37] M.J.N.Priestley. Performance-Based Seismic Design. 12WCEE, 2000.
[38] N.A.Abo Shadi. Performance-Based Design of Confinement Reinforcement in Reinforced Concrete Bridge Pier Walls for Out-of-plane Seismic Loads. ACI Structure Journal, 2001,1.
[39] T. B. Panagitakos. A displacement-Based Seismic Design Procedure for R. C. Buildings and Comparison with ECS. Earthquake Engineering and Structural Dynamics,2001 30:1439-1462.
[40] Calv G.M. Kingsley G.R. Displacement-Based Seismic Design of Multi-Degree-of-Freedom Bridge Structures. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 1995, 24:1247-1266.
[41] Kowalsky M.J. Displacement-Based Seismic Design of R. C. Bridge Columns in Seismic Regions. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 1995, 24:1623-1643.
[42] Medhekar M. Kennedy D. Displacement-Based Seismic Design of Buildings -Application. Engineering Structures, 2000, 22:210-221.
[43] 钱稼茹等．建筑结构基于位移的抗震设计．建筑结构，2001年第4期．
[2] 赵艳静等．钢筋混凝土异形截面双向压弯柱延性性能的理论研究．建筑结构，1999年第1期．
[3] 张玉秋等．钢筋混凝土异形截面柱正截面承载力简化计算．建筑结构，1999年第1期．
[4] 徐向东等．单周及低周反复荷载作用下T形截面框架柱受剪性能的试验研究．建筑结构，1999年第1期．
[5] 巩长江等．L形截面钢筋混凝土框架柱受剪性能的试验研究．建筑结构，1999年第1期．
[6] 王振武等．十字形截面钢筋混凝土双向压弯构件正截面承载力的研究．建筑结构，1999年第1期．
[7] 何培玲等．十字形截面钢筋混凝土双向压弯柱延性的试验及理论研究．建筑结构，1999年第1期．
[8] 李砚波等．钢筋混凝土双向拉弯构件正截面承载力计算及试验研究．建筑结构，1999年第1期．
[9] 曹万林等．不同方向周期反复荷载作用下T形柱的性能．地震工程与工程振动，15卷4期，1995年12月．
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[11] Dundar C. Sahin B. Arbitrarily shaped reinforced concrete members subject to biaxial bending and axial load. Computers and Structures, Vol.49, No.4, 1993.
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[14] 曹万林等．合理确定异型柱框架层刚度的研究．世界地震工程，13卷3期，1997年6月．
[15] 王宝营等．异型柱框架弹塑性变形验算方法．世界地震工程，13卷2期，1997年6月．
[16] 曹万林等．底层带支撑异型柱框架抗震分析初探．地震工程与工程振动，15卷2期，1995年6月．
[17] 曹万林等．异型柱框架结构底层带支撑合理设置研究．地震工程与工程振动，17卷1期，1997年3月．
[18] 曹万林等．轻质填充墙异型柱框架弹性阶段地震作用计算．地震工程与工程振动，17卷3期，1997年9月．
[19] 曹万林等．大开间异型柱框架弹塑性工作性能研究．世界地震工程，2000年3月，16卷1期．
[20] 曹万林等．轻质填充墙异型柱边框架抗震性能试验研究．地震工程与工程振动，1997年6月，17卷2期．
[21] 曹万林等．沿高变刚度设支撑高层大开间异型柱框架抗震性能试验研究．地震工程与工程振动，2000年6月，20卷2期．
[22] 曹万林，王光远等．底层带支撑异型柱框架抗震分析初探．地震工程与工程振动，15(2)，1995年．
[23] 曹万林，王光远等．底层带支撑异型柱框架非线性地震反应分析．地震工程与工程振动，16(4)，1996．
[24] 曹万林等．异型柱框架楼梯间结构层刚度及其衰减过程的试验研究．建筑结构学报，1998年2月，19卷1期．
[25] 朱景敏等．大开间住宅钢筋混凝土异型柱框轻结构的适用范围．建筑结构，1999年第1期．
[26] 杨玉成等．七层钢筋混凝土异型柱支撑框架结构模型振动台试验研究．地震工程与工程振动，15卷1期，1995年3月．
[27] 张同亿等．复合墙异型柱组合结构抗震性能试验研究．西安建筑科技大学学报，2000年6月，32卷2期．
[28] 马乐为等．异型柱小型砼空心砌块12层房屋模态分析试验研究．西北建筑工程学院学报，2001年3月，18卷1期．
[29] 崔慈艳等．水平荷载下底层抽柱的异形柱框架受力分析．福州大学学报，1999年12月，27卷6期．
[30] 罗素蓉等．异形柱空间框架结构的试验研究．福州大学学报，1999年12月，27卷6期．
[31] 王滋军等．中高层大开间钢筋混凝土异形柱框架结构抗震性能研究．地震工程与工程振动，1999年9月，19卷3期．
[32] 高向宇等．多层异型柱框架结构隔震性能的试验研究．世界地震工程，1997年12月，13卷4期．
[33] 石晓蕊等．异型柱斜撑框架结构模型振动台试验及建模．郑州工业大学学报，1999年6月，20卷2期．
[34] 小谷俊介．日本基于性能结构抗震设计方法的发展．建筑结构，2000年第6期．
[35] 王亚勇．我国2000年抗震设计模式规范展望．建筑结构，1999年第6期．
[36] 王亚勇．我国2000年工程抗震设计模式规范基本研究问题综述．建筑结构学报，2000年第1期．
[37] M.J.N.Priestley. Performance-Based Seismic Design. 12WCEE, 2000.
[38] N.A.Abo Shadi. Performance-Based Design of Confinement Reinforcement in Reinforced Concrete Bridge Pier Walls for Out-of-plane Seismic Loads. ACI Structure Journal, 2001,1.
[39] T. B. Panagitakos. A displacement-Based Seismic Design Procedure for R. C. Buildings and Comparison with ECS. Earthquake Engineering and Structural Dynamics,2001 30:1439-1462.
[40] Calv G.M. Kingsley G.R. Displacement-Based Seismic Design of Multi-Degree-of-Freedom Bridge Structures. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 1995, 24:1247-1266.
[41] Kowalsky M.J. Displacement-Based Seismic Design of R. C. Bridge Columns in Seismic Regions. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 1995, 24:1623-1643.
[42] Medhekar M. Kennedy D. Displacement-Based Seismic Design of Buildings -Application. Engineering Structures, 2000, 22:210-221.
[43] 钱稼茹等．建筑结构基于位移的抗震设计．建筑结构，2001年第4期．