掉层框架结构二阶效应的分析与研究

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结构二阶效应对结构的内力和变形会产生较大的影响,因此了解其基本规律,在结构分析或者截面设计时采取相应的工程措施是十分必要的;从Leonhard Eulert最早提出相关概念至今已逾百年,该领域已逐渐发展成熟,随着现代经济的进步,建筑结构也朝着更高、更复杂的方向发展,结构二阶效应理论的适用性受到了挑战。例如为适应复杂山地条件应运而生的山地掉层结构的二阶效应问题在以往的研究中还鲜有涉及;为满足工程实践的需要,本文将团队以往对规则结构二阶效应理论及工程实用方法的研究拓展至山地掉层结构,以探寻山地掉层结构二阶效应规律并对现行《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)中有关考虑结构二阶效应的设计方案对掉层结构的适用性进行论证,也为处于广泛征求意见中的《山地建筑结构设计标准》中有关掉层结构二阶效应部分的编制提供参考。本文在团队以往对规则结构二阶效应的研究基础上,根据掉层框架结构的特点结合有无拉梁,并通过调整不同上下接地端在整体结构中的刚度比例,设定了一系列不同的算例来对其二阶效应规律和工程实用方法进行了分析研究,取得以下具有一定工程意义的研究成果:(1)鉴于现行混凝土规范认为底部抗侧力构件的约束部位在同一水平面上且以剪切变形为主的规则框架结构在考虑结构P-△效应时层增大系数法是一种行之有效的简化方法,但能否扩展至有两个或以上不在同一水平面嵌固端的山地掉层框架结构还有待考证。本文从山地掉层结构的变形特征出发,对其侧向变形分量进行筛分,通过理论分析和算例对比来验证采用层增大系数法考虑山地掉层结构P-△效应的适用性与局限性。(2)山地掉层框架结构由于具有天然的不规则性使得层增大系数法的适用性受到了限制。对于有拉梁掉层框架结构,由于拉梁的约束作用使得除掉层结构外的上部结构与规则框架结构类似,以剪切变形为主且“层效应”非常明显,因此除掉层结构外的上部结构层增大系数法依然适用;对于无拉梁掉层框架结构,由于缺少拉梁的约束作用以及上接地端的影响使得上接地层同掉层部分不再适用层增大系数法,但由于尚存在上部结构梁的约束使得除上接地层同掉层部分外的其余上部结构依旧适用于采用层增大系数法来考虑这部分结构的二阶效应。(3)山地掉层框架结构的掉层部分会受到上下接地端的相互影响,具有天然不规则性,“层效应”概念已然模糊,最终导致无法采用层增大系数法来考虑其P-△效应;但是通过理论分析和算例对比,发现基于等效水平力的有限元迭代法在经过一次迭代后就能够很好的模拟山地掉层框架结构掉层部分因考虑结构P-△效应后对其内力和变形的影响,一次迭代考虑掉层结构P-△效应的分析方法快捷简便,效率较高,精度也能满足工程实际要求。(4)考虑刚度折减的弹性二阶分析方法时工程界比较认可的既能考虑几何非线性又能考虑材料非线性的实用方法,即采用弹性二阶分析来模拟结构考虑P-△效应影响的几何非线性影响,而混凝土开裂、钢筋与混凝土粘结滑移等材料非线性特征则通过对各结构构件进行刚度折减来反映;当将考虑刚度折减的弹性二阶分析方法用来模拟计算掉层框架结构的几何非线性和材料非线性时,由于其准确性很大程度取决于刚度折减系数的取值,我们通过以结构整体二阶效应相等为条件,将Pushover非线性分析结果与考虑刚度折减的弹性二阶分析结果对比,验证了《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)中对于规则框架的刚度折减系数取值在掉层结构中的适用性。(5)采用改进迭代法来对设置不同变量的掉层框架结构进行考虑刚度折减的弹性一阶迭代分析,将其分析结果与考虑刚度折减的弹性二阶分析结果对比,提出考虑刚度折减的弹性一阶迭代分析可以完成从弹性一阶分析到刚度折减弹性二阶分析的过渡,即通过刚度折减系数和改进的迭代法就可以实现弹性一阶分析直接考虑掉层框架结构的材料非线性和几何非线性,为实际工程考虑掉层框架结构P-△效应的影响提出了一种简化的实用方法。
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