科研训练完成 2.docx

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科研训练完成2

学校代码：

学号：

科研训练报告

（

题目：

框架中心支撑结构体系设计

学生姓名：

学院：

土木工程学院

系别：

建筑工程系

专业：

土木工程专业（建筑工程方向）

班级：

指导教师：

摘要

20世纪90年代以来，随着我国国民经济实力的增强与钢结构产业的发展，北京、上海等地相继开始兴建高层钢结构建筑。

目前，我国已建成的高层钢结构建筑已经超过一百幢，并在高层建筑领域呈现出快速发展的趋势。

已建成的上海金茂大厦（88层，高421m）及正在施工中的环球金融中心（95层，高460m）使我国的高层建筑进入世界前列。

关键词：

框架高层结构体系抗震

目录

1前言

1.1钢框架的发展…………………………………………………………4

1.2纯钢框架体系阶段……………………………………………………4

1.3支撑钢框架体系阶段…………………………………………………4

1.3.1中心支撑框架结构………………………………………………4

2、国内外应用情况

2.1国内钢框架应用情况…………………………………………………5

3、国内外研究现状

3.1理论研究方面…………………………………………………………5

3.1.1钢支撑的研究现状……………………………………………5

3.1.2中心支撑钢框架的研究现状…………………………………6

3.2实验结论………………………………………………………………6

3.3设计方法………………………………………………………………6

3.3.1基于承载力的抗震设计…………………………………………6

3.3.2基于位移的抗震设计……………………………………………6

3.3.3基于能量的抗震设计……………………………………………7

3.3.4基于能力的抗震设计……………………………………………7

3.3.5基于损伤的抗震设计……………………………………………7

4、目前设计方法存在的问题

4.1框架-中心支撑体系研究………………………………………………8

4.2延性中心支撑框架体系研究…………………………………………8

5、中心支撑改进

6、技术路线

6.1钢支撑不平衡竖向力对框架梁的调整要求……………………………9

6.2钢框架部分抗剪能力调整要求…………………………………………9

参考文献…………………………………………………………………………10

框架中心支撑结构体系设计

1、前言

1.1钢框架的发展

纯框架结构体系指的是无支撑架，是钢结构建筑常用的形式。

但当建筑达到一定高度时，在地震作用下结构侧移大，影响正常使用，且纯框架是单一抗侧力体系，钢框架一旦破坏，其后果相当严重。

中心支撑框架是常用的双重抗侧力体系，它是指有支撑斜杆连接于框架梁柱节点上。

中心支撑框架体系具有较大的抗侧刚度，保证了正常使用极限状态要求，在常遇地震作用下能有效防止非结构构件的破坏。

1.2纯钢框架体系阶段

钢框架体系结构体系不设置柱间竖向支撑，可以采用较大的柱距和获得较大的使用空间，建筑平面布置灵活，有很好的延性。

但是由于纯钢框架结构体系抗侧力刚度较小，因此应用受到一定限制。

1.3支撑钢框架体系阶段

对于多层及中高层建筑，由于侧向作用力的增大，使得梁柱等构件尺寸也相对较大，失去其经济合理性，这时宜在框架体系中部分框架柱之间设置支撑，形成支撑框架体系。

这种结构在水平荷载作用下，通过刚性楼板或弹性楼板的变形协调与刚接框架共同土作，形成双重抗侧力结构体系。

支撑是第一道防线，框架是第二道防线，该体系具有较大的抗侧力刚度。

对于支撑的设置，根据不同设计要求，可选择中心支撑框架、偏心支撑框架或消能支撑框架结构。

1.3.1中心支撑框架结构

中心支撑的特征是支撑的每个节点及各杆件的轴心线交汇于一点，它包括十字交叉支撑、单斜杆支撑、K形支撑、人字形支撑，以及V形支撑等类型（依次见图1—1）。

中心支撑具有较大的侧向刚度，构造相对简单，能减小结构的水平位移，改善结构的内力分布。

但在水平地震荷载作用下，中心支撑容易产生压曲，造成其受压承载力和抗侧刚度急剧下降，直接影响结构的整体性能，因此，在地震区应用时应当慎重。

图1—1中心支撑钢框架体系

2、国内外应用情况

2.1国内钢框架应用情况

20世纪90年代以来，随着我国国民经济实力的增强与钢结构产业的发展，北京、上海等地相继开始兴建高层钢结构建筑。

目前，我国已建成的高层钢结构建筑已经超过一百幢，并在高层建筑领域呈现出快速发展的趋势。

已建成的上海金茂大厦（88层，高421m）及正在施工中的环球金融中心（95层，高460m）使我国的高层建筑进入世界前列。

3、国内外研究现状

3.1理论研究方面

3.1.1钢支撑的研究现状

钢支撑的滞回性能与支撑杆件的长细比、板件宽厚比、支撑端支撑初始缺陷、钢材材性及循环加载历史等都有关系。

支撑长细比是影响其滞回性能的重要因素。

长细比兄较小的钢支撑滞回环及单循环耗能较好，但容易在局部屈曲处因循环塑性应变发生低周疲劳破坏。

在弹性阶段或塑性阶段，均可采用等效长细比方法近似考虑钢支撑端部约束的影响。

因此在框架一中心支撑结构整体分析中，可采用两端铰支钢支撑等效不同端部约束的钢支撑。

各国规范在支撑杆件长细比限值上持有不同的观点。

我国的《高层民用建筑钢结构技术规程》（以下简称《高钢规》）认为:

在地震作用下钢支撑的滞回性能主要取决于其受压行为，钢支撑长细比大者，滞回环较小，吸收能量的能力较弱，只有采用较小长细比的钢支撑才能避免在反复拉压作用下承载力显著降低。

而AISC341、UBC97及EC8规范认为支撑杆件长细比过小，有可能引来过大的地震作用，延性也较差。

因而欧美等国家的规范对钢支撑长细比的限制相对宽松。

在方钢管支撑滞回试验中发现，在前一、二次循环内，管支撑屈曲后抗压承载退化较快，长细比越大，退化越明显;在后续循环内，管支撑抗压承载力的退化趋于稳定。

试验研究表明，长细比较大的钢支撑趋向于具有较好的耗能及低周疲劳性能。

3.1.2中心支撑钢框架的研究现状

中心支撑钢框架试验研究

美日在1980年代的联合地震研究项目中做过中心支撑钢框架的振动台试验，详细地介绍了六层中心支撑钢框架的设计、施工、试验过程，对其在小震、中震和大震下的性能进行了分析，讨论了耗能性能、梁柱拼接节点的破坏形式、支撑的屈曲、组合楼板的影响及空间作用的影响。

指出不同地震作用下结构的耗能由三部分构成:

①支撑一梁柱节点的小偏心耗能梁段的剪切变形;②支撑的屈曲及屈曲后的变形;③梁柱的屈服。

哈尔滨工业大学也做过相关的研究，田亚军做过中心支撑钢框架的地震模拟试验研究；2004年2月，哈尔滨工业大学土木工程学院与中国地震局工程力学研究所合作进行了三层大尺寸钢框架一中心支撑结构振动台试验。

3.2实验结论

通过试验研究得到如下结论:

（l）受压支撑的屈曲会导致结构抗侧刚度的显著降低，但结构的水平承载并没有显著降低；

（2）在静力推覆分析中，中心支撑钢框架的受压支撑屈曲之后，结构还具有较好的延性；

（3）在水平荷载作用下，若板件的宽厚比在规范限值之内，受压支撑将发生绕弱轴的整体弯曲屈曲；

（4）中心支撑构件主要是承担轴力，弯矩和剪力的影响很小；

（5）规范中认为受压支撑屈曲后只有30%的承载能力，且据此来验算横梁的做法偏于保守。

3.3设计方法

3.3.1基于承载力的抗震设计

强度设计是目前阶段最基本的一种建筑结构抗震设计思想。

各国的抗震规范也是主要基于构件的强度进行承载力验算的。

传统的基于承载力的抗震设计是依据结构构件的强度，采用静力地震作用，进行结构的内力和承载力验算。

随着计算水平的进步，采用时程分析方法进行结构的弹性、弹塑性分析也可以验算结构的承载力。

3.3.2基于位移的抗震设计

一般认为，变形验算方法是强度抗震设计的必要补充。

延性设计本质上也是一种基于位移的设计。

虽然对于构件延性的认识取得了很多的成果，但是对于整体结构延性的认识还是比较模糊和有待深入的。

由于构件的截面规则，弹性极限和破坏准则判断明确，因此无论是从理论分析还是从试验角度均可以较为容易地得到构件的延性。

由于结构的楼层布置、结构体系比较复杂，整个结构的塑性发展和倒塌机制不甚明确，因此准确得到结构的延性以及通过结构的延性判断结构的抗震性能均是十分困难的。

国内外现行的建筑抗震设计规范虽然都提出了结构的位移限值，但大都是将位移作为变形验算使用的。

通过变形验算仅能保护非结构构件，并不能校核非弹性变形对结构的影响。

当结构进入弹塑性状态以后，位移的增长趋势比力的增长大得多，甚至会出现力的下降段，显然，此时用与变形相关的量来描述结构的状态是比较合理的。

同时，大量的震害和理论分析都表明，结构构件在地震作用下的破坏程度与结构的位移响应和构件的变形能力有关，结构破坏主要是由于变形过大造成的。

基于位移的抗震设计使用位移控制结构在大震作用下的行为，可以了解结构在地震作用下的实际表现而不仅是让结构具有某种程度的抗力。

该法不仅抗震思想明确、合理，而且容易将其应用到生产实践当中。

在具体实现途径上，较多采用的有三种方法:

直接基于位移的抗震设计方法，能力谱方法和按延性系数的设计方法。

3.3.3基于能量的抗震设计

随着研究的深入，结构的抗震设计思想已经不仅仅局限于“力”和“位移”，其他的一些抗震设计思想也在不断发展。

将强度校核和变形验算结合起来的一种设计方法是基于能量的设计方法。

能量的传递、转化与吸收是结构地震反应的基本特征。

1956年Housner提出用能量分析方法进行抗震结构设计的思想，随着实际地震数值化记录、震害观测资料和结构试验数据的大量积累，人们更加清楚地认识到结构的能量反应在评价地面运动强度和结构破坏程度中的重要作用。

由此，力和变形的乘积，即结构的耗能能力作为一个设计参数被引入到结构设计中，形成了基于能量平衡的极限设计方法。

基于能量平衡概念来理解结构的抗震原理简洁明了，但将其作为使用抗震设计方法仍有许多问题尚待解决，如地震输入能量谱、体系耗能能力、阻尼耗能和塑性滞回耗能体系内的分布规律。

3.3.4基于能力的抗震设计

该方法针对结构在大震作用下的弹塑性反应，首先布置结构可能出现的塑性铰位置，使得结构在屈服后出现一个比较合理的耗能机构:

对结构的塑性铰区域进行专门的设计，用以提供足够的延性耗能能力。

将框架结构设计成强柱弱梁的延性框架就是一种基于能力的设计思想。

基于能力的抗震设计可以通过承载力、位移、能量设计等设计方法得以实现。

3.3.5基于损伤的抗震设计

基于损伤指数及其数学模型的结构损伤程度描述方法具有很强的吸引力和前景。

该设计思想考虑了结构在大震作用下的变形和累计耗能，将损伤指标作为量化的性能目标，简单明确十分便于实用化的工程设计。

损伤概念可以用于材料、构件和结构三个层次的受力性能描述。

地震损伤是破坏结构使用功能和导致结构倒塌的主要原因，对结构在地震作用下非弹性变形以及由此引起的结构损伤就成为结构抗震研究的一个重要方面，而将损伤力学的概念引入到结构抗震设计中就形成了基于损伤的抗震设计方法。

在该设计方法中，以反映结构损伤程度的损伤指数作为设计指标，选取适当的地震损伤模型，对结构进行损伤验算。

同时，研究人员还将优化的概念引入到基于损伤的震设计方法中。

建筑结构在地震作用下的损伤通常划分为五个等级:

基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和倒塌。

4、目前设计方法存在的问题

4.1框架-中心支撑体系研究

近年来框架-中心支撑体系研究已取得了不少成果,但仍有若干关键问题值得深入研究。

框架-中心支撑体系在侧向荷载作用下,因变形协调使得剪力分担率在框架和支撑体系之间沿高度变得复杂了:

在结构底部,支撑承担了侧向荷载的绝大部分,而在结构的中上部,框架承担了大部分。

在设计中为了达到多道抗震设防目标,我国《高层民用建筑钢结构技术规程》规定一阶段设计时,任意层间框架总抗剪能力不得小于结构底部总剪力的25%;而《建筑抗震设计规范》（GB50011-2003）考虑原有条文在实际执行中有困难,规定"框架部分得到地震剪力应乘以调整系数,达到不小于结构底部剪力的25%和框架部分地震剪力最大值的1.8倍二者的较小值。

国内对实施框架部分调整的相关规定中还存在很多分歧。

设计中为了达到多道抗震设防目的,人为地加强了框架-中心支撑体系中框架抗剪能力的比例,该措施对中心支撑框架在常遇地震及罕遇地震下（特别是在支撑进入塑性发展及疲劳失效后）内力重分配会产生怎样的影响,以及对框架-中心支撑体系是否能够真正起到防止整体结构倒塌的作用,尚存在一些争议,有待于深入研究。

4.2延性中心支撑框架体系研究

《高层民用建筑钢结构技术规程》参照美国有关普通中心支撑框架的有关规定,通过调整系数强化支撑设计,以增强结构抗震性能。

但是试验和震害均表明,即使按上述规定设计的中心支撑框架体系,在强烈地震作用下,仍然会发生支撑构件的低周疲劳破坏。

程晓杰等认为该现象缘于结构在刚度增加同时,所受到地震作用增大,支撑所受内力也加大。

另外,一些学者认为在设计中对支撑塑性区疲劳失效考虑不足是导致结构严重破坏的另一主要原因。

他们在对试验及地震中破坏的框架-中心支撑结构研究中发现,钢支撑局部屈曲加大了支撑出现低周疲劳破坏的趋势,使得体系延性及耗能能力变差。

5、中心支撑改进

（1）钢支撑模拟方法:

现象学方法是框架-支撑整体分析中支撑模拟的一种较好选择,但是该法控制参数依赖于相应支撑滞回试验,采用空间壳元的有限元模拟有望弥补这个不足,此外也为支撑疲劳累积损伤研究提供前提。

在框架-中心支撑结构整体分析中采用考虑剪切效应的三节点Timoshenko梁模拟支撑是一种便捷途径,其可行性有待进一步研究。

（2）钢支撑疲劳累积损伤研究:

现有的支撑在往复荷载下疲劳累积损伤的研究多限于试验研究,可在试验研究的基础上,采用空间壳元模拟支撑塑性区应力-应变关系,结合疲劳累积损伤相关理论,进行支撑疲劳寿命预测及相关参数分析工作。

6、技术路线

　　钢结构体系具有安装容易、施工周期短、自重轻、能减小地震作用效应、抗震性能好、环境污染少等综合优势。

所以本设计旨在提高工程的抗震要求且利于施工。

6.1钢支撑不平衡竖向力对框架梁的调整要求

考虑到当V形和人字形钢支撑斜杆在大震下受压屈曲后,其承载力将下降,导致横梁在钢支撑连接处出现竖向不平衡集中力,可能引起横梁破坏和楼板上突或下陷,并在横梁两端出现塑性铰,设计时根据支撑斜杆不平衡集中力大小对横梁截面进行调整。

6.2钢框架部分抗剪能力调整要求

为降低施工困难对框架部分按计算得到的地震剪力应乘以调整系数,达到不小于结构底部总地震剪力的25%和框架部分地震剪力最大值1.8倍二者的较小者”。

这后一项要求比前者低得多,很多设计容易过关,也体现了多道设防的原则,抗震分析时可通过框架部分的楼层剪力调整系数来实现,也可采用删去钢支撑的框架进行计算实现。

参考文献：

【1】王栉枫.V型中心支撑钢框架的结构影响系数苏州科技学院2007：

27—37.

【2】杨俊芳.中心支撑钢框架的结构影响系数西安建筑科技大学学位论文，2009：

34—51

【3】孙跃洲.框架—人字形中心支撑双重抗侧力体系的静力和动力分析哈尔滨工业大学，2006：

17—29.

【4】沙广璟.K型中心支撑钢框架的结构影响系数.苏州科技学院，2007:

1—32.

【5】沈祖炎.钢结构学.北京:

中国建筑工业出版社，2005.

【6】黄呈伟.钢结构设计.科技出版社，2005.

【7】蔡益燕.《高层民用建筑钢结构技术规程》修订雏议[J].建筑钢结构进展,2003:

1～4.