CN105160055B - 一种基于位移的框架结构的抗震设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的技术方案提供一种以弹塑性时程分析为基础的基于位移的框架结构抗震设计方法；以考虑地震作用共性的“基于弹塑性位移反应谱的传统的考虑多振型的基于位移的设计方法”计算的层剪力作为检校参考，以最大程度减少由于地震波个性差异可能导致的不安全因素；本发明的目的是为了解决现有位移设计方法存在的技术问题，有必要提供一种能够直接有效地考虑对框架结构位移反应有重要影响的因素，并能够对框架结构在特定的地震作用下的位移反应进行有效控制的设计方法。
Description
技术领域
本发明属于土木工程建筑技术领域，涉及一种框架结构抗震设计方法，更具体涉及一种基于位移的框架结构的抗震设计方法。
背景技术
基于位移的设计方法：能够有效控制结构在地震作用下的位移反应的结构设计方法。即提出在特定地震作用下结构的位移反应目标限制，以位移目标值为导向按一定的方法设计结构，使得结构的在这个特定的地震作用，如大震和中震作用下的位移反应接近目标位移。
弹塑性时程分析方法：虽然现在的弹塑性时程分析仍有很多问题待进一步研究，但它仍然是公认地最能反应结构实际抗震性能的分析方法。弹塑性时程分析的结果对结构设计具有重要的指导意义。
Priestley,Kowalsky等为代表的研究人员建立了“基于位移设计”和“直接基于位移设计”的实用方法。此后国内外的研究人员做了不少改进方法，总体来看现存这类位移设计方法，对框架结构的位移反应的控制并不理想。
这类方法存在以下主要问题：
1)以过度简化的“等效单自由度体系”为基础。
2)直接用简化的弹塑性反应谱计算地震作用。
3)以pushover方法作为过程中的结构分析方法。
4)由于这类方法包含过多的假设和简化，故不能直接有效的考虑材料本构以及滞回规则等重要影响因素，因为反应谱本身就受这些因素影响。不能足够有效地控制框架结构在特定地震作用下的位移反应。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有位移设计方法存在的技术问题，有必要提供一种能够直接有效地考虑对框架结构位移反应有重要影响的因素，并能够对框架结构在特定的地震作用下的位移反应进行有效控制的设计方法。
本发明的技术方案提供一种以弹塑性时程分析为基础的基于位移的框架结构抗震设计方法，其主要步骤包括：
1)明确结构设计基本信息，包括地震作用相关参数、梁柱节点定位信息、载荷信息和材料信息；所述地震作用相关参数包括：特征周期、最大地震影响系数和阻尼比；所述材料信息包括钢筋及混凝土强度、分析本构和滞回规则。
2)选定目标位移；根据业主对建筑功能和安全的要求，明确目标位移。
3)寻找合理的几何尺寸；所述几何尺寸调整具体过程包括：
a)根据梁柱几何尺寸按预设的中等配筋率和构造配筋，将梁柱截面信息存入矩阵文本。
b)定义节点和层集中质量，采用截面矩阵中的截面参数的梁柱单元，以及必要的分析控制参数等，建立完整的OpenSees结构分析模型。
c)加载重力荷载代表值并分析，对步骤b中建立的结构分析模型进行模态分析并提取前3阶周期和振型，并将信息以文本形式储存备用。
d)调用自动选波程序，根据地震作用相关参数和结构前3阶周期点按既定的规则选波。
e)分别用已选好的地震波做弹塑性时程分析并输出结果。
f)处理时程分析结果，得到位移相对误差值。
g)如果位移偏大且大于1.2倍目标位移，则柱截面加大50mm，并对柱截面按选定的中等配筋率和构造规则重新配筋。梁截面几何尺寸在中等配筋率下抗力需满足选定的节点强柱弱梁关系，否则以50mm为梯度调整梁截面几何尺寸直到满足为止；更新梁柱截面信息，并返回到过程a。
h)如果位移偏小且小于0.8倍目标位移，则柱截面减小50mm，并对柱截面按选定的中等配筋率和构造规则重新配筋。梁截面几何尺寸在中等配筋率下抗力需满足选定的节点强柱弱梁关系，否则以50mm为梯度调整梁截面几何尺寸直到满足为止；更新梁柱截面信息，并返回到过程a。
i)重复过程a到过程h，直到位移相对误差小于正负20％；跳出几何尺寸调整过程。
4)概念性调整迭代逼近目标位移；具体流程包括：
A)参数赋值，包括总迭代次数限制参数AN、最大分析子线程数TN、地震波条数WN和地震波初始加载方向DR。其中总迭代次数限制参数AN：分析前确定运算时读取，根据试算情况估计可能得到预期结果的最大迭代次数。分析子线程数TN：每次迭代开始前确定，根据计算机CPU核心数和选波结果数确定，取两者较小值。地震波条数WN：根据波库的全面性和分析需要综合确定符合要求的波的数量。地震波初始加载方向DR＝1。
B)判断当前迭代次数CN是否小于等于总迭代次数限制参数AN，若是，则进行下一步，若大于总迭代次数限制参数，则跳转流程I。
C)自动选波，进行模态分析，根据结构周期和地震作用信息选波。
D)考虑加载方向，交替变化地震波加载方向，即变化DR数值的正负。
E)任务分配；WN条地震波的非线性时程分析任务合理的分配给TN个子线程；TN个分析子线程，分别调用一个OpenSees实例。分析子线程X，用第aX号到bX号波分别对结构进行非线性时程分析，其中X的取值为1至TN的整数，包含1和TN，如分析子线程1是用第a1号到b1号波分别对结构进行非线性时程分析。依规定的数据结构输出各地震波对应的时程分析结果到指定目录下。
F)判断所有分析子线程是否已经完成分析，若未完成，则继续等待，直到所有子线程完成分析，进行下一步。
G)调用基于MATLAB编制并封装的后处理程序，读入时程分析结果数据并进行整理分析，绘制本次结构的反应分析图。
H)判断当前迭代次数的结构是否满足位移要求，并判断梁柱是否满足与选定的构造相适应的位移延性能力限制要求。若不满足，则再次判断梁柱截面几何尺寸是否合理；若合理，则设计内力生成子程序，根据目标位移与本次分析结果，以“广义层刚度双折线模型”为基础调整截面设计内力，同时利用基于弹塑性位移反应谱的考虑多振型的传统的基于位移的设计方法，简称传统的DDBD法，其层剪力结果，检校层最小剪力并调整得到下一次迭代的分析结构设计内力。再进行梁柱截面设计子程序，根据新的设计内力，并考虑基本的构造措施，对截面进行配筋，形成下一次迭代的结构梁柱单元截面信息矩阵。返回流程B重新开始分析；若满足，则跳转至下一步。
I)静载承载力及挠度验算，根据抗震设计合理的结构，反过来验算风、恒和活作用下的承载力和挠度。然后判断静载验算是否通过；若不通过，在跳转下一步，否则验算通过，本次基于位移的框架结构的抗震设计方法分析结束。
J)对结构进行相应加强调整并重新进行多波集成弹塑性分析，检验调整后的结构的抗震性能，判断位移及延性要求是否满足条件，若不满足，则调整结构布置或者适当减小目标位移，重新进行迭代分析与设计；若满足条件，则跳转至流程I。
进一步所述的基于位移的框架结构的抗震设计方法步骤中，步骤2中所述目标位移为层间位移角；步骤4中所述概念性调整的关键包括：梁柱位移延性代表值、层统计刚度值、层双折线模型和位移相对误差。所述梁柱位移延性的计算公式为：梁柱的截面位移延性＝最大曲率/屈服曲率；所述的层统计刚度通过提取柱单元反应结果，计算各层“层间剪力——层间位移”，分别绘图，并对层间位移角和层间剪力的数据点进行线性回归处理得到直线，该直线的斜率即为层统计刚度值。所述层双折线模型中关键点说明：最大层间位移角由时程结果直接得到，假定楼层综合位移延性＝楼层柱截面最大位移延性的平均值，则楼层等效屈服层间位移角＝反应最大层间位移角/楼层综合位移延性，屈服前刚度＝层统计刚度，屈服后刚度＝0.1*层统计刚度。
进一步所述的基于位移的框架结构的抗震设计方法，整个设计过程的控制程序基于TCL语言编写；控制程序调用OpenSees进行结构分析工作，包括截面分析、结构静力非线性分析和弹塑性时程分析等。控制程序调用MATLAB编写并封装后的程序功能模块，包括完成地震波自动选波模块、时程分析结果数据处理及调整模块、截面设计配筋模块等。
本发明的有益效果主要有以下几点：
1、以框架结构的层间位移角为目标位移，根据业主对功能和安全性能的要求，在设计初始确定目标位移。
2、在框架结构抗震设计方法中进行合理有效假设，直接选用弹塑性时程分析结果作为设计依据，从而能够直接有效的考虑材料本构以及滞回规则等影响因素的影响。
3、以考虑地震作用共性的“基于弹塑性位移反应谱的传统的考虑多振型的基于位移的设计方法”计算的层剪力作为检校参考，以最大程度减少由于地震波个性差异导致地可能的不安全因素。
4、根据多条波的时程分析结果结合“层刚度双折线模型”进行“弹塑性时程分析--概念性调整设计--弹塑性时程分析”的循环设计过程，通过合理的迭代使框架结构在地震作用下的位移反应，在构件满足相应的位移延性需求的前提下，逼近目标位移，从而实现对结构框架在地震作用下的位移反应地有效控制。
附表说明
表1材料本构细节；
表2地震作用相关信息汇总；
表3实施例主要结果汇总；
表4实施例1迭代设计的过程概要；
表5实施例1迭代设计得到的最终结构的反应细节；
表6实施例2迭代设计的过程概要；
表7实施例2迭代设计得到的最终结构的反应细节；
表8实施例3迭代设计的过程概要；
表9实施例3迭代设计得到的最终结构的反应细节。
附图说明
图1为本方法流程框图；
图2为7层规则平面框架结构的中间榀框架图；
图3为混凝土本构图；
图4为混凝土滞回规则图；
图5为梁柱钢筋本构图；
图6为梁柱钢筋滞回规则图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
根据业主对建筑功能和安全的要求，明确算例概况，同时明确结构设计的基本信息：
几何信息：7层规则平面框架结构的中间榀框架(平面外负荷宽度为6m)；底层层高为3.75m，其余层层高为3m。框架节点编号及其梁柱单元划分编号如图2；
荷载信息：楼面恒载5KN/m2,屋面恒载7KN/m2,楼面活载2.07KN/m2，负荷宽度6m；
材料信息如表1；
地震作用相关参数如表2。
表1材料本构细节
单元类型：梁柱单元均采用element nonlinearBeamColumn。
表2地震作用相关信息汇总
| 烈度 | 8度(0.30g) |
| 场地类别 | 二类场地 |
| 地震分组 | 第一分组 |
| 特征周期 | Tg＝0.4s(罕遇地震) |
| 最大地震影响系数 | 1.2 |
| 阻尼比 | 0.05 |
地震波方法：根据每次结构的模态分析得到的前三周期值，在波库(1105条波)中，在“双频段选波”的基础上，考虑“前三阶周期”到“1.3倍前三阶周期点”三个区间内的谱均值与标准设计反应谱均值不同程度接近的条件控制。
实施例：
按本专利所提出的方法，对上述结构在罕遇地震下的位移反应控制条件出发，以三个不同的目标位移分别进行迭代设计。三个实施例主要结果见表3，具体细节见表4-9。
表3实施例主要结果汇总
三个实施例的设计得到的最终结构的最大层间位移相对于目标位移的绝对误差都小于2％，且梁柱的最大位移延性需求都在合理范围，充分表明本方法能够实现对框架结构的位移反应的有效控制
表4实施例1迭代设计的过程概要
表5实施例1迭代设计得到的最终结构的反应细节
表6实施例2迭代设计的过程概要
表7实施例2迭代设计得到的最终结构的反应细节
表8实施例3迭代设计的过程概要
表9实施例3迭代设计得到的最终结构的反应细节
Claims (3)
1.一种基于位移的框架结构的抗震设计方法，其特征在于，包括以下主要步骤：
1)明确结构设计基本信息；包括地震作用相关参数、梁柱节点定位信息、载荷信息和材料信息；所述地震作用相关参数包括：特征周期、最大地震影响系数和阻尼比；所述材料信息包括钢筋及混凝土强度、分析本构和滞回规则；
2)选定目标位移；根据业主对建筑功能和安全的要求，明确目标位移；
3)逐步调整寻找合理的几何尺寸；所述几何尺寸调整具体过程包括：
a)根据梁柱几何尺寸按预设的中等配筋率和构造配筋，将梁柱截面信息存入矩阵文本；
b)定义节点和层的集中质量，采用截面矩阵中的截面参数的梁柱单元，以及必要的分析控制参数，建立完整的OpenSees结构分析模型；
c)加载重力荷载代表值并分析，对步骤b中建立的结构分析模型进行模态分析并提取前3阶周期和振型，将信息以文本形式储存备用；
d)调用自动选波程序，根据地震作用相关参数和结构前3阶周期点按既定的规则选波；
e)分别用已选好的地震波做弹塑性时程分析并输出结果；
f)处理时程分析结果，得到位移相对误差值；
g)如果位移偏大且大于1.2倍目标位移，则柱截面加大50mm，并对柱截面按选定的中等配筋率和构造规则重新配筋；梁截面几何尺寸在中等配筋率下抗力需满足选定的节点强柱弱梁关系，否则以50mm为梯度调整梁截面几何尺寸直到满足为止；更新梁柱截面信息，并返回到过程a；
h)如果位移偏小且小于0.8倍目标位移，则柱截面减小50mm，并对柱截面按选定的中等配筋率和构造规则重新配筋；梁截面几何尺寸在中等配筋率下抗力需满足选定的节点强柱弱梁关系，否则以50mm为梯度调整梁截面几何尺寸直到满足为止；更新梁柱截面信息，并返回到过程a；
i)重复过程a到过程h，直到位移相对误差小于正负20％；跳出几何尺寸调整过程；
4)概念性调整迭代逼近目标位移；具体流程包括：
A)参数赋值；包括总迭代次数限制参数AN、最大分析子线程数TN、地震波条数WN和地震波初始加载方向DR；其中总迭代次数限制参数AN：分析前确定运算时读取，根据试算情况估计可能得到预期结果的最大迭代次数；分析子线程数TN：每次迭代开始前确定，根据计算机CPU核心数和选波结果数确定，取两者较小值；地震波条数WN：根据波库的全面性和分析需要综合确定符合要求的波的数量；地震波初始加载方向DR＝1；
B)判断当前迭代次数CN是否小于等于总迭代次数限制参数AN，若是，则进行下一步；若大于总迭代次数限制参数，则跳转流程I；
C)自动选波；进行模态分析，根据结构周期和地震作用信息选波；
D)考虑加载方向，交替变化地震波加载方向，即变化DR数值的正负；
E)任务分配；WN条地震波的非线性时程分析任务合理的分配给TN个子线程；TN个分析子线程，分别调用一个OpenSees实例；分析子线程X，用第aX号到bX号波分别对结构进行非线性时程分析，其中X的取值为1至TN的整数，包含1和TN，如分析子线程1是用第a1号到b1号波分别对结构进行非线性时程分析；依规定的数据结构输出各地震波对应的时程分析结果到指定目录下；
F)判断所有分析子线程是否已经完成分析，若未完成，则继续等待，直到所有子线程完成分析，进行下一步；
G)调用基于MATLAB编制并封装的后处理程序，读入时程分析结果数据并进行整理分析，绘制本次结构的反应分析图；
H)判断当前迭代次数的结构是否满足位移要求，梁柱分别是否满足与选定的构造相适应的位移延性能力限制要求；若不满足，则再次判断梁柱截面几何尺寸是否合理；若合理，则设计内力生成子程序，根据目标位移与本次分析结果，以“广义层刚度双折线模型”为基础调整截面设计内力，同时利用基于弹塑性位移反应谱的考虑多振型的传统的基于位移的设计方法，简称传统的DDBD法，其层剪力结果，检校层最小剪力并调整得到下一次迭代的分析结构设计内力；再进行梁柱截面设计子程序，根据新的设计内力，并考虑基本的构造措施，对截面进行配筋，形成下一次迭代的结构梁柱单元截面信息矩阵；返回流程B重新开始分析；若满足，则跳转至下一步；
I)静载承载力及挠度验算；根据抗震设计合理的结构，反过来验算风、恒和活作用下的承载力和挠度；然后判断静载验算是否通过；若不通过，在跳转下一步；否则验算通过，本次基于位移的框架结构的抗震设计方法分析结束；
J)对结构进行相应加强调整并重新进行多波集成弹塑性分析，检验调整后的结构的抗震性能，再次判断位移及延性要求是否满足条件，若不满足，则调整结构布置或者适当减小目标位移，重新进行迭代分析与设计；若满足条件，则跳转至流程I。
2.根据权利要求1所述的一种基于位移的框架结构的抗震设计方法，其特征在于:
步骤2中所述目标位移为层间位移角；步骤4中所述概念性调整的关键包括：梁柱位移延性代表值、层统计刚度值、层双折线模型和位移相对误差；所述梁柱位移延性的计算公式为：梁柱的截面位移延性＝最大曲率/屈服曲率；所述的层统计刚度通过提取柱单元反应结果，计算各层“层间剪力——层间位移”，分别绘图，并对层间位移角和层间剪力的数据点进行线性回归处理得到直线，该直线的斜率即为层统计刚度值；所述层双折线模型中关键点说明：最大层间位移角由时程结果直接得到，假定楼层综合位移延性＝楼层柱截面最大位移延性的平均值，则楼层等效屈服层间位移角＝反应最大层间位移角/楼层综合位移延性，屈服前刚度＝层统计刚度，屈服后刚度＝0.1*层统计刚度。
3.根据权利要求1所述的一种基于位移的框架结构的抗震设计方法，其特征在于:
整个设计过程的控制程序基于TCL语言编写；控制程序调用OpenSees进行结构分析工作，包括截面分析、结构静力非线性分析和弹塑性时程分析；控制程序调用MATLAB编写并封装后的程序功能模块，包括完成地震波自动选波、时程分析结果数据处理及调整、截面设计配筋。
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Legal Events
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