一種全新的基于位移的框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于土木工程建筑技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法，更具體涉 及一種基于位移的框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于位移的設(shè)計(jì)方法：能夠有效控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移反應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方 法。即提出在特定地震作用下結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)目標(biāo)限制，以位移目標(biāo)值為導(dǎo)向按一定的方 法設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)的在這個(gè)特定的地震作用，如大震和中震作用下的位移反應(yīng)接近目 標(biāo)位移。
[0003] 彈塑性時(shí)程分析方法：雖然現(xiàn)在的彈塑性時(shí)程分析仍有很多問(wèn)題待進(jìn)一步研究， 但它仍然是公認(rèn)地最能反應(yīng)結(jié)構(gòu)實(shí)際抗震性能的分析方法。彈塑性時(shí)程分析的結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。
[0004] Priestley, Kowalsky等為代表的研究人員建立了"基于位移設(shè)計(jì)"和"直接基于 位移設(shè)計(jì)"的實(shí)用方法。此后國(guó)內(nèi)外的研究人員做了不少改進(jìn)方法，總體來(lái)看現(xiàn)存這類位移 設(shè)計(jì)方法，對(duì)框架結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)的控制并不理想。
[0005] 這類方法存在以下主要問(wèn)題：
[0006] 1)以過(guò)度簡(jiǎn)化的"等效單自由度體系"為基礎(chǔ)。
[0007] 2)直接用簡(jiǎn)化的彈塑性反應(yīng)譜計(jì)算地震作用。
[0008] 3)以pushover方法作為過(guò)程中的結(jié)構(gòu)分析方法。
[0009] 4)由于這類方法包含過(guò)多的假設(shè)和簡(jiǎn)化，故不能直接有效的考慮材料本構(gòu)以及滯 回規(guī)則等重要影響因素，因?yàn)榉磻?yīng)譜本身就受這些因素影響。不能足夠有效地控制框架結(jié) 構(gòu)在特定地震作用下的位移反應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有位移設(shè)計(jì)方法存在的技術(shù)問(wèn)題，有必要提供一種能 夠直接有效地考慮對(duì)框架結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)有重要影響的因素，并能夠?qū)蚣芙Y(jié)構(gòu)在特定的地 震作用下的位移反應(yīng)進(jìn)行有效控制的設(shè)計(jì)方法。
[0011] 本發(fā)明的技術(shù)方案提供一種全新的以彈塑性時(shí)程分析為基礎(chǔ)的基于位移的框架 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法，其主要步驟包括：
[0012] 1)明確結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本信息，包括地震作用相關(guān)參數(shù)、梁柱節(jié)點(diǎn)定位信息、載荷信息 和材料信息；所述地震作用相關(guān)參數(shù)包括：特征周期、最大地震影響系數(shù)和阻尼比；所述材 料信息包括鋼筋及混凝土強(qiáng)度、分析本構(gòu)和滯回規(guī)則。
[0013] 2)選定目標(biāo)位移；根據(jù)業(yè)主對(duì)建筑功能和安全的要求，明確目標(biāo)位移。
[0014] 3)尋找合理的幾何尺寸；所述幾何尺寸調(diào)整具體過(guò)程包括：
[0015] a)根據(jù)梁柱幾何尺寸按預(yù)設(shè)的中等配筋率和構(gòu)造配筋，將梁柱截面信息存入矩陣 文本。
[0016] b)定義節(jié)點(diǎn)和層集中質(zhì)量，采用截面矩陣中的截面參數(shù)的梁柱單元，以及必要的 分析控制參數(shù)等，建立完整的OpenSees結(jié)構(gòu)分析模型。
[0017] c)加載重力荷載代表值并分析，對(duì)步驟b中建立的結(jié)構(gòu)分析模型進(jìn)行模態(tài)分析并 提取前3階周期和振型，并將信息以文本形式儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?br>[0018] d)調(diào)用自動(dòng)選波程序，根據(jù)地震作用基本信息和結(jié)構(gòu)前3階周期點(diǎn)按既定的規(guī)則 選波。
[0019] e)分別用已選好的地震波做彈塑性時(shí)程分析并輸出結(jié)果。
[0020] f)處理時(shí)程分析結(jié)果，得到位移相對(duì)誤差值。
[0021] g)如果位移偏大且大于1. 2倍目標(biāo)位移，則柱截面加大50mm，并對(duì)柱截面按選定 的中等配筋率和構(gòu)造規(guī)則重新配筋。梁截面幾何尺寸在中等配筋率下抗力需滿足選定的節(jié) 點(diǎn)強(qiáng)柱弱梁關(guān)系，否則以50_為梯度調(diào)整梁截面幾何尺寸直到滿足為止；更新梁柱截面信 息，并返回到過(guò)程a。
[0022] h)如果位移偏小且小于0. 8倍目標(biāo)位移，則柱截面減小50mm，并對(duì)柱截面按選定 的中等配筋率和構(gòu)造規(guī)則重新配筋。梁截面幾何尺寸在中等配筋率下抗力需滿足選定的節(jié) 點(diǎn)強(qiáng)柱弱梁關(guān)系，否則以50_為梯度調(diào)整梁截面幾何尺寸直到滿足為止；更新梁柱截面信 息，并返回到過(guò)程a。
[0023] i)重復(fù)過(guò)程a到過(guò)程h，直到位移相對(duì)誤差小于正負(fù)20% ;跳出幾何尺寸調(diào)整過(guò) 程。
[0024] 4)概念性調(diào)整迭代逼近目標(biāo)位移；具體流程包括：
[0025] A)參數(shù)賦值，包括總迭代次數(shù)限制參數(shù)AN、最大分析子線程數(shù)TN、地震波條數(shù)WN 和地震波初始加載方向DR。其中總迭代次數(shù)限制參數(shù)AN :分析前確定運(yùn)算時(shí)讀取，根據(jù)試 算情況估計(jì)可能得到預(yù)期結(jié)果的最大迭代次數(shù)。分析子線程數(shù)TN :每次迭代開(kāi)始前確定， 根據(jù)計(jì)算機(jī)CPU核心數(shù)和選波結(jié)果數(shù)確定，取兩者較小值。地震波條數(shù)WN :根據(jù)波庫(kù)的全 面性和分析需要綜合確定符合要求的波的數(shù)量。地震波初始加載方向DR= 1。
[0026] B)判斷當(dāng)前迭代次數(shù)CN是否小于等于總迭代次數(shù)限制參數(shù)AN，若是，則進(jìn)行下一 步，若大于總迭代次數(shù)限制參數(shù)，則跳轉(zhuǎn)流程I。
[0027] C)自動(dòng)選波，進(jìn)行模態(tài)分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)周期和地震作用信息選波。
[0028] D)考慮加載方向，交替變化地震波加載方向，即變化DR數(shù)值的正負(fù)。
[0029] E)任務(wù)分配；WN條地震波的非線性時(shí)程分析任務(wù)合理的分配給TN個(gè)子線程；TN 個(gè)分析子線程，分別調(diào)用一個(gè)OpenSees實(shí)例。分析子線程X，用第aX號(hào)到bX號(hào)波分別對(duì)結(jié) 構(gòu)進(jìn)行非線性時(shí)程分析，其中X的取值為1至TN的整數(shù)，包含1和TN，如分析子線程1是用 第al號(hào)到bl號(hào)波分別對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性時(shí)程分析。依規(guī)定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)輸出各地震波對(duì)應(yīng) 的時(shí)程分析結(jié)果到指定目錄下。
[0030] F)判斷所有分析子線程是否已經(jīng)完成分析，若未完成，則繼續(xù)等待，直到所有子線 程完成分析，進(jìn)行下一步。
[0031] G)調(diào)用基于MATLAB編制并封裝的后處理程序，讀入時(shí)程分析結(jié)果數(shù)據(jù)并進(jìn)行整 理分析，繪制本次結(jié)構(gòu)的反應(yīng)分析圖。
[0032] H)判斷當(dāng)前迭代次數(shù)的結(jié)構(gòu)是否滿足位移要求，并判斷梁柱是否滿足與選定的構(gòu) 造相適應(yīng)的位移延性能力限制要求。若不滿足，則再次判斷梁柱截面幾何尺寸是否合理；若 合理，則設(shè)計(jì)內(nèi)力生成子程序，根據(jù)目標(biāo)位移與本次分析結(jié)果，以"廣義層剛度雙折線模型" 為基礎(chǔ)調(diào)整截面設(shè)計(jì)內(nèi)力，同時(shí)利用基于彈塑性位移反應(yīng)譜的考慮多振型的傳統(tǒng)的基于位 移的設(shè)計(jì)方法，簡(jiǎn)稱傳統(tǒng)的DDBD法，其層剪力結(jié)果，檢校層最小剪力并調(diào)整得到下一次迭 代的分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)力。再進(jìn)行梁柱截面設(shè)計(jì)子程序，根據(jù)新的設(shè)計(jì)內(nèi)力，并考慮基本的構(gòu) 造措施，對(duì)截面進(jìn)行配筋，形成下一次迭代的結(jié)構(gòu)梁柱單元截面信息矩陣。返回流程B重新 開(kāi)始分析；若滿足，則跳轉(zhuǎn)至下一步。
[0033] I)靜載承載力及撓度驗(yàn)算，根據(jù)抗震設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)，反過(guò)來(lái)驗(yàn)算風(fēng)、恒和活作用 下的承載力和撓度。然后判斷靜載驗(yàn)算是否通過(guò)；若不通過(guò)，在跳轉(zhuǎn)下一步，否則驗(yàn)算通過(guò)， 本次基于位移的框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法分析結(jié)束。
[0034] J)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)加強(qiáng)調(diào)整并重新進(jìn)行多波集成彈塑性分析，檢驗(yàn)調(diào)整后的結(jié)構(gòu) 的抗震性能，判斷位移及延性要求是否滿足條件，若不滿足，則調(diào)整結(jié)構(gòu)布置或者適當(dāng)減小 目標(biāo)位移，重新進(jìn)行迭代分析與設(shè)計(jì)；若滿足條件，則跳轉(zhuǎn)至流程I。
[0035] 進(jìn)一步所述的基于位移的框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法步驟中，步驟2中所述目標(biāo)位 移為層間位移角；步驟4中所述概念性調(diào)整的關(guān)鍵包括：梁柱位移延性代表值、層統(tǒng)計(jì)剛度 值、層雙折線模型和位移相對(duì)誤差。所述梁柱位移延性的計(jì)算公式為：梁柱的截面位移延 性=最大曲率/屈服曲率；所述的層統(tǒng)計(jì)剛度通過(guò)提取柱單元反應(yīng)結(jié)果，計(jì)算各層"層間剪 力--層間位移"，分別繪圖，并對(duì)層間位移角和層間剪力的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性回歸處理得到 直線，該直線的斜率即為層統(tǒng)計(jì)剛度值。所述層雙折線模型中關(guān)鍵點(diǎn)說(shuō)明：最大層間位移角 由時(shí)程結(jié)果直接得到，假定樓層綜合位移延性=樓層柱截面最大位移延性的平均值，則樓 層等效屈服層間位移角=反應(yīng)最大層間位移角/樓層綜合位移延性，屈服前剛度=層統(tǒng)計(jì) 剛度，屈服后剛度 =〇. 1*層統(tǒng)計(jì)剛度。
[0036] 進(jìn)一步所述的基于位移的框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的控制程序基 于TCL語(yǔ)言編寫(xiě)；控制程序調(diào)用OpenSees進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析工作，包括截面分析、結(jié)構(gòu)靜力非線 性分析和彈塑性時(shí)程分析等?？刂瞥绦蛘{(diào)用MTLAB編寫(xiě)并封裝后的程序功能模塊，包括完 成地震波自動(dòng)選波模塊、時(shí)程分析結(jié)果數(shù)據(jù)處理及調(diào)整模塊、截面設(shè)計(jì)配筋模塊等。
[0037] 本發(fā)明的有益效果主要有以下幾點(diǎn)：
[0038] 1、以框架結(jié)構(gòu)的層間位移角為目標(biāo)位移，根據(jù)業(yè)主對(duì)功能和安全性能的要求，在 設(shè)計(jì)初始確定目標(biāo)位移。
[0039] 2、在框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法中進(jìn)行合理有效假設(shè)，直接選用彈塑性時(shí)程分析結(jié)果 作為設(shè)計(jì)依據(jù)，從而能夠直接有效的考慮材料本構(gòu)以及滯回規(guī)則等影響因素的影響。
[0040] 3、以考慮地震作用共性的"基于彈塑性位移反應(yīng)譜的傳統(tǒng)的考慮多振型的基于位 移的設(shè)計(jì)方法"計(jì)算的層剪力作為檢校參考，以最大程度減少由于地震波個(gè)性差異導(dǎo)致地 可能的不安全因素。
[0041] 4、根據(jù)多條波的時(shí)程分析結(jié)果結(jié)合"層剛度雙折線模型"進(jìn)行"彈塑性時(shí)程分 析一概念性調(diào)整設(shè)計(jì)一彈塑性時(shí)程分析"的循環(huán)設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)合理的迭代使框架結(jié)構(gòu)在 地震作用下的位移反應(yīng)，在構(gòu)件滿足相應(yīng)的位移延性需求的前提下，逼近目標(biāo)位移，從而實(shí) 現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)框架在地震作用下的位移反應(yīng)地有效控制。
[0042] 附表說(shuō)明
[0043] 表1材料本構(gòu)細(xì)節(jié)；
[0044] 表2地震作用相關(guān)信息匯總；
[0045] 表3實(shí)施例主要結(jié)果匯總；
[0046] 表4實(shí)施例1迭代設(shè)計(jì)的過(guò)程概要；
[0047] 表5實(shí)施例1迭代設(shè)計(jì)得到的最終結(jié)構(gòu)的反應(yīng)細(xì)節(jié)；
[0048] 表6實(shí)施例2迭代設(shè)計(jì)的過(guò)程概要；
[0049] 表7實(shí)施例2迭代設(shè)計(jì)得到的最終結(jié)構(gòu)的反應(yīng)細(xì)節(jié)；
[0050] 表8實(shí)施例3迭代設(shè)計(jì)的過(guò)程概要；
[0051] 表9實(shí)