建筑结构强度偏心引起的扭转耦联作用

发表于2004-03-19     1941人浏览     0人跟帖     总热度:10  

建筑结构强度偏心引起的扭转耦联作用
在实际工程中,由于建筑功能的要求,受场地的限制,以及城市建筑形式日益多样化,要求丰富多彩,避免千篇一律,以及某些多层厂房中设备与工艺布置的需要等,设计者不可避免的面临着在地震区可能有明显扭转藕连反应的不对称建筑的设计任务。扭转对建筑的危害已逐渐被人们认识。1985年19月墨西哥城地震三栋高层钢结构建筑的破坏与刚度偏心引起的扭转效应有很大关系。而国内乌鲁木齐军区卫生学校;阳江地震中,北津的一座二层砖楼房;海城地震中,海城农电据办公楼和唐山地震中的许多建筑多出现了扭转的震害。显然,研究解决不对称建筑的抗震设计计算问题是十分必要的,尤其在当前城市建设中不断涌现出各种体型复杂的多层及高层建筑的情况下,这个任务是迫切的。在弹性范围内对扭转震动,我们已经开展了大量的研究,并且扭转耦连效已被认识清楚。但在塑性范围内对扭转效应的研究却很少,尽管扭转造成的危害已被指出,但定量的分析还没有做到。引起扭转的原因有以下几种:质量偏心、刚度偏心、强度偏心和地面运动的转动分量[1]。虽然在弹性范围内第三种情况不存在,但在弹塑性范围内,即使第一和第二种因素不存在,当结构进入塑性,各部分强度和刚度出现变化从而引起偏心扭转振动。目前还没有地面运动的转动分量记录但可以用人工合成法合成。在实际建筑结构中,这些因素往往是共同作用在建筑结构上,从而产生复杂的振动。但强度偏心还很少被认识,强度偏心是指建筑结构强度分配上的不对称,它不等于刚度偏心,刚度偏心是在弹性范围内而强度偏心是在塑性范围内对结构进行分析。在建筑结构经受强地震时,若结构不存在刚度偏心,由于结构强度偏心,使得结构某一部分先进入塑性状态,出现刚度偏心,从而导致产生扭转震动;若结构本身存在偏心,当结构刚度大的部分先进入塑性状态则有利,当刚度小的部分先进入塑性状态则不利。
2引起强度偏心的原因
当采比例刚度设计法设计时,强度中心与刚度中重合。比例刚度设计是指将对应的非偏心结构的侧向地震作用直接按抗侧刚度比例分配给抗侧结构的抗侧单元,即不考虑扭转的强度设计方法[2]。在这种情况下建筑结构如果存在刚度偏心,那么她就存在强度偏心,而且强度偏心与刚度偏心是一致的。在实际工程中,只有整个建筑结构的结构形式和材料都相同,才会出现这种情况。但随着现代社会发展的商业化、工业化和城市化,房屋建筑逐渐由单层、多层向高层发展,房屋的结构形式也由简单的砖混结构变得日趋复杂,框架,剪力墙,框―剪,框―筒,筒体,巨型桁架等复杂结构。它们的极限变形角不同,钢筋混凝土墙的极限变形角约1/3000,准弹性极限变形约为1/2000;而钢筋混凝土框架的弹性层间侧移角极限值可达1/500,钢框架就更大一些。它们的刚度相差悬殊,钢或钢筋混凝土属弯曲杆系,在水平力的作用下,框架中的杆件(梁和柱)以弯曲变形为主,靠梁和柱的抗弯刚度来为框架提供抗推刚度,因而抗推刚度甚小;而钢支撑是属于轴力杆系,在水平力作用下,其中各杆件主要承受轴力,由于杆件抵抗轴向变形的刚度远大于抗弯刚度,因而支撑具有比框架大得多的抗推刚度;剪力墙属于平面构件,由于它的长条形水平截面具有较大的抗剪截面积和截面惯性矩,直接为剪力墙提供了很大的抗推刚度;芯筒属于立体构件,抗推刚度更大。剪力墙、钢支撑或芯筒的弹性初始刚度通常为钢或钢筋混凝土框架的10-20倍[3]。建筑材料有砖石,混凝土,钢筋混凝土和钢材等。这些结构形式之间,这些材料之间的刚度和强度一般不成比例。即使是同一种材料,同一种结构形式,由于截面尺寸和形状的不同,刚度和强度一般也不成比例。正是由于结构形式和材料以及屈服特性和延性的不同使得建筑结构的刚度中心和强度中心不重合。强度偏心决不仅仅是刚度偏心当建筑结构不存在刚度偏心时,也可能存在强度偏心,这样当结构进入塑性状态就会出现扭转振动。
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