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1 第 卷第 0 期 Vol. No.0 0 年 月 May 0 预制装配式高层框架结构抗震性能动力分析 刘士彬, 段 磊 ( 东北电力大学建筑工程学院, 吉林吉林 000) 摘要 : 以某 层新型全预制装配式钢筋混凝土框架结构为工程背景, 对其抗震性能进行动力弹塑性数值模拟分析, 得到结构层间剪力 层间位移 层间位移角, 数值结果在国家现行规范限值内, 预制装配式小高层结构抗震性能满足要求 模拟相同条件下现浇钢筋混凝土框架结构抗震性能与预制结构比较, 对比显示预制结构预埋型钢在罕遇地震作用下发挥作用, 能增强建筑结构抵抗地震剪力的能力 关键词 : 工程结构 ; 预制装配式 ; 时程分析 ; 抗震分析中图分类号 :TU. 文献标识码 :A 文章编号 :-0(0)0--0 Dynamic seismic performance analysis of the prefabricated high-rise frame structure LIU Shibin, DUAN Lei (School of Civil Engineering, Northeast Dianli University, Jilin, Jilin 000, China) Abstract: Taking a nine stories prefabricated reinforced concrete frame structure as the engineering background, this paper conducts the analysis of dynamic elastoplastic in order to study the seismic performance of this frame. With the time-history analysis method, the author considers the structural layer shear, the layer displacement and the drift angle, these data meets specification requirements, and the seismic performance of the high-rise structure is perfect. Under the same conditions, the author calculates the seismic performance of in-situ reinforced concrete structures as well. Comparison shows that embedded steel enhances seismic shear resistance under strong earthquake. Key words: engineering structures; precast fabricated; time analysis; seismic analysis 0 引言 预制建筑结构的结构整体性不佳, 在大地震下结构损坏严重, 给人民的生命财产造成了巨大损失 0 世纪六七十年代, 美国阿拉斯加州和中国唐山市的地震发生时, 大量的预制结构在焊接连接处破裂, 致使结构构件严重破坏, 房屋大面积倒塌, 这使得人们对预制结构的抗震性能产生了巨大的怀疑, 预制混凝土结构的发展受到了极大阻碍 由于预制装配式混凝土结构有着工业化程度高 节能环保 工期短等优点 [~], 其抗震性能研究受到广大科研工作者和建设单位的重视 预制装配式结构主体构件采用工业化批量生产方式, 将预制好的梁 板 柱 墙 楼梯 阳台等构件运送到施工现场, 使用起重机械将其吊装到指定位置, 再按照设计的连接方式进行拼接 [] 梁 柱构件全部采用预制形式, 两端设有预埋锚固型钢 梁与柱 柱与柱 梁与梁之间的节点均采用夹板和高强螺栓连接 钢筋采用等强机械套筒连接 绑扎搭接或焊接, 最终通过后浇混凝土节点连接 作者简介 : 刘士彬 ( ), 男, 副教授, 主要研究方向 : 高层钢筋混凝土结构设计理论及其应用. dbdlxy@.com

2 第 卷第 0 期 0 年 月 中国科技论文在线精品论文 000 或叠合方式装配成型, 并使结构整体传力可靠, 承载力满足要求 [] 工程概况 以某 层钢筋混凝土框架结构为工程背景 主体框架总高. m,~ 层高. m,~ 层高. m. 抗震等级 : 二级 ; 建筑抗震设防类别 : 丙类 ; 风荷载 : 基本风压 0. kn/m (0 年一遇 ); 地面粗糙度 : C 类 ; 雪荷载 : 基本雪压 0. kn/m (0 年一遇 ); 场地地震基本烈度 : 度 ; 抗震设防烈度 : 度 ; 设计基本地震加速度 :0.0 g; 计地震分组 : 第一组, 特征周期为 0. s; 建筑场地土类别 :Ⅱ 类 主要构件采用 C0 混凝土,f ck =0. N/mm,f tk =.0 N/mm ; 主筋 HRB00,f yk =00 N/mm ; 箍筋 HPB00, f yk =00 N/mm ; 预埋锚固型钢 ( 拼接型钢 )Q. 材料标准自重 : 混凝土 kn/m, 钢材. kn/m. 层框架结构非线性动力抗震性能分析 高层建筑结构是由竖向抗侧力构件通过水平楼板连接构成的大型空间结构体系 完全精确地按照三维空间结构进行分析十分困难, 因此, 各种分析均需要对计算模型引入不同程度的简化 [] ) 小变形假定 假定在外力或其他外界条件影响下, 物体变形与物体自身几何尺寸相比属于高阶小量时, 可不考虑因变形引起的尺寸变化, 使用物体变形前的几何尺寸来替代变形后的尺寸 当顶点水平位移 Δ 与建筑物高度 H 的比值 Δ/H >/00 时,P-Δ 效应的影响就不能忽视了 ) 刚性楼板假定 对高层建筑结构的分析, 通常假定楼板在自身平面内刚度无限大, 平面外的刚度忽略不计 此假定减少了结构位移的自由度, 降低了模拟计算的工作量 作为高层结构和特殊建筑抗震分析的一种补充计算, 非线性动力时程分析可以计算结构在弹塑性阶段的地震反应, 对结构进行罕遇地震下的变形验算, 以确定结构的薄弱部位, 方便采取适当的补救措施 弹塑性时程分析的计算结果能更加真实地展现结构的地震反应 [] 研究采用 SNAP 结构非线性技术软件, 并以杆系方式进行建模分析 SNAP 软件可以处理不规则和复杂的结构, 建模精细, 灵活性和选择性强, 可处理从简单到复杂的各种结构模型. 现浇钢筋混凝土框架结构抗震分析图 地震波波形我国 建筑抗震设计规范 (GB 00 00) [] 规 Fig. Seismic waveform a 天然波 ELCentro; b 天然波 Taft;c 人工波 SHW 定 : 采用时程分析法时应按照建筑物所处的场地类别及该 a-natural wave ELCentro; b-natural wave Taft; 建筑物地震分组来选择实际发生的地震记录和人工模拟 c-artificial wave SHW

3 Vol. No.0 May 0 刘士彬等 : 预制装配式高层框架结构抗震性能动力分析 00 的地震记录, 实际发生的地震记录占对建筑结构所输入的地震波数量应不小于 /. 选天然波 ELCentro (NS),Taft(EW), 人工波 SHW, 条波时间间隔均为 0.0 s( 如图 所示 ). 根据 建筑抗震设计规范 (GB 00 00) [], 时程分析所用地震加速度时程曲线最大值如表 所示 表 地震影响加速度峰值 (cm/s ) [] Tab. Earthquake acceleration peak (cm/s ) [] 地震影响 度 度 度 度 多遇地震 () 0(0) 0 罕遇地震 0(0) 00(0) 0 注 : 括号内数值分别用于设计基本地震加速度为 0.g 和 0.0g 的地区 多遇地震加速度峰值取加力方向为 cm/s, 罕遇地震加速度峰值取加力方向为 0 cm/s, 加力方向加速度与垂直方向加速度比值为 :0.. 分别模拟 种地震波在多遇地震和罕遇地震下的反应 在建筑结构设计中, 控制高层建筑在地震等荷载作用下的变形是首要工作, 层间变形角是控制变形的一个重要指标, 这实际上是对结构构件的截面和刚度加以控制 为保证高层建筑主体结构在多遇地震作用下基本不产生损伤, 应限制结构的层间位移角 [] 地震作用时, 高层结构的破坏程度与结构的层间位移角有关, 层间位移角的大小与结构破坏程度成正比 多遇地震工况下, 最大层间剪力及层间变形角分别如表 和表 所示 Tab. 表 现浇结构最大层间剪力 (kn) Maximum story shear of the in-situ reinforced concrete structure (kn) 楼层 / 层 ELCentro-x ELCentro-y Taft-x Taft-y SHW-x SHW-y 表 现浇结构层间变形角 Tab. Interlaminar deformation angle of the in-situ reinforced concrete structure 楼层 / 层 ELCentro-x ELCentro-y Taft-x Taft-y SHW-x SHW-y / / / 0 / 0 / 0 / / / / 0 / / / / / / / / 0 / / / / 00 / 0 / / / 0 / / / / / / / / / / / 0 / / / / / / 0 / 0 / 0 / / / / 00 / / 0 / / 0 / / 多遇地震工况下, 在 种地震波条件下, 随层数增加, 层间位移增大, 呈剪切破坏规律, 符合框架结构抗弯不抗剪的结构受力特点 结构层间位移角远小于 /0( 如表 所示 ), 符合抗震规范中弹塑性层

4 第 卷第 0 期 0 年 月 中国科技论文在线精品论文 00 间位移角限值要求, 结构抗震性能良好 罕遇地震工况下, 最大层间剪力及层间变形角分别如表 和表 所示 表 现浇结构最大层间剪力 (kn) Tab. Maximum story shear of the in-situ reinforced concrete structure (kn) 楼层 / 层 ELCentro-x ELCentro-y Taft-x Taft-y SHW-x SHW-y 表 现浇结构层间变形角 Tab. Interlaminar deformation angle of the in-situ reinforced concrete structure 楼层 / 层 ELCentro-x ELCentro-y Taft-x Taft-y SHW-x SHW-y / /0 / / / / / / / / 0 / /0 / / / / / / / 0 /0 / / /00 / / / / / /0 / / / / /0 / / / / / / /0 / / / / / /0 / / / / / / /0 罕遇地震工况下, 在 种地震波条件下, 随层数增加, 层间位移增大, 符合剪切破坏规律 SHW 波作用下, 结构 ~ 层层间位移角大于 /0( 如表 所示 ), 不符合抗震规范中弹塑性层间位移角限值要求. 全预制装配式钢筋混凝土框架结构抗震分析预制结构在梁 柱端部加有预埋型钢, 充分利用杆系建模精确的优点, 在每根现浇梁 柱两端各增设一个节点, 在端部两段梁 柱中设置型钢, 如图 所示 层预制结构数值模型如图 所示 图 梁端预埋型钢 Fig. Embedded steel beam end 图 层预制框架立体图 Fig. F prefabricated framework perspective view

5 Vol. No.0 May 0 刘士彬等 : 预制装配式高层框架结构抗震性能动力分析 00 多遇地震工况下, 最大层间剪力及层间变形角分别如表 和表 所示 表 多遇地震工况下预制结构最大层间剪力 (kn) Tab. Maximum story shear of the prefabricated structure in general earthquake conditions (kn) 楼层 / 层 ELCentro-x ELCentro-y Taft-x Taft-y SHW-x SHW-y 表 多遇地震工况下预制结构层间变形角 Tab. Interlaminar deformation angle of the prefabricated structure in general earthquake conditions 楼层 / 层 ELCentro-x ELCentro-y Taft-x Taft-y SHW-x SHW-y / / / / / / / / 0 / / / / / / / / 00 / / / / / / / / 0 / / / / / 000 / 0 / / / 0 / 0 / / / / / 0 / / 0 / 0 / / 0 / / / 0 / / / / / / / 多遇地震工况下, 在 种地震波条件下, 随层数增加, 层间位移增大, 呈明显剪切破坏规律, 符合框架结构抗弯不抗剪的结构受力特点 结构层间位移角远小于 /0( 如表 所示 ), 符合抗震规范中弹塑性层间位移角限值要求, 结构抗震性能良好 罕遇地震工况下, 最大层间剪力及层间变形角分别如表 和表 所示 罕遇地震工况下, 在 种地震波条件下, 随层数增加, 层间位移增大 结构层间位移角远小于 /0 ( 如表 所示 ), 满足现行规范要求, 第 层变形最大, 为薄弱层 表 罕遇地震工况下预制结构最大层间剪力 (kn) Tab. Maximum story shear of the prefabricated structure in rare earthquake conditions (kn) 楼层 / 层 ELCentro-x ELCentro-y Taft-x Taft-y SHW-x SHW-y

6 第 卷第 0 期 0 年 月 中国科技论文在线精品论文 00 表 罕遇地震工况下预制结构层间变形角 Tab. Interlaminar deformation angle of the prefabricated structure in rare earthquake conditions 楼层 / 层 ELCentro-x ELCentro-y Taft-x Taft-y SHW-x SHW-y / / / / / 0 / /0 / / / /0 / / / / / / / / / / / / / / / / /0 / /0 / /0 / / / / / / / / / /0 /0 /00 / / / /0 / / / /0 / / 现浇结构与预制结构抗震性能对比 多遇地震层间剪力对比如图 所示 罕遇地震层间剪力对比如图 所示 图 多遇地震工况下最大层间剪力对比 Fig. Comparison between the maximum story shear in general earthquake conditions 图 罕遇地震工况下最大层间剪力对比 Fig. Comparison between the maximum story shear in rare earthquake conditions

7 Vol. No.0 May 0 刘士彬等 : 预制装配式高层框架结构抗震性能动力分析 00 罕遇地震下,ELCentro 波和 Taft 波作用时预制框架剪力略小于现浇框架剪力,SHW 波作用下, 预制框架承受的剪力与现浇框架相比小得多, 预制框架预埋型钢增加了框架结构的抗剪能力 多遇地震层间变形角如图 所示, 罕遇地震层间变形角如图 所示 建筑抗震设计规范 (GB 00 00) [] 第.. 条规定, 钢筋混凝土框架结构薄弱层 ( 部位 ) 弹塑性层间位移角限值为 /0,ELCentro 波和 Taft 波作用下预制框架与现浇框架层间位移角均满足规定要求,SHW 波作用下, 预制结构抗震性能良好, 现浇结构第 ~ 层位移角超出限值 图 多遇地震工况下层间变形角对比 Fig. Comparison between the interlaminar deformation angle in general earthquake conditions 结论 图 罕遇地震工况下层间变形角对比 Fig. Comparison between the interlaminar deformation angle in rare earthquake conditions 通过数值模拟分析, 多遇地震工况下, 预制装配式框架结构各项抗震性能指标均满足现行规范要求, 抗震性能良好, 层间位移 剪力等值与现浇结构相比没有很大区别, 预埋型钢此刻未发挥作用 罕遇地

8 第 卷第 0 期 0 年 月 中国科技论文在线精品论文 00 震工况下, 现浇框架出现破坏时预制框架仍然保持良好的抗震性能, 可见预埋的型钢提高了结构构件的延性, 提高了结构抵抗水平地震剪力的能力, 因此预制装配式结构满足现行规范的基本抗震设防目标, 在遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震时, 不致倒塌或发生危及生命的严重破坏 预制装配式结构适用于小高层框架结构 在罕遇地震工况下, 预制装配式框架结构最大层间位移角仍为 /, 距限值 /0 相差近 倍, 不够经济 同等设计条件下, 若采用预制装配式代替现浇式, 应适当降低预制结构构件的尺寸和配筋量等, 使资源得到更好利用 [ 参考文献 ](References) [] 王召新. 混凝土装配式住宅施工技术研究 [D]. 北京 : 北京工业大学,0. WANG Z X. Concrete prefabricated housing construction technology research[d]. Beijing: Beijing University of Technology, 0. (in Chinese) [] 贺灵童, 陈艳. 建筑工业化的现在与未来 [J]. 工程质量,0,():-. HE L T, CHEN Y. Present and future of building industrialization[j]. Construction Quality, 0, (): -. (in Chinese) [] 中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ 00 预制装配整体式混凝土框架结构技术规程 [S]. 北京 : 中国建筑工程出版社,00. Ministry Housing and Urban-Rural Development of the People s Republic of China. JGJ 00 Prefabricated concrete frame structure technology for JCTC[S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 00. (in Chinese) [] 王亚勇, 程民宪, 刘小弟. 结构抗震时程分析法输人地震记录的选择方法及其应用 [J]. 建筑结构,():-. WANG Y Y, CHENG M X, LIU X D. Seismic time history analysis method of seismic records lost people and its application[j]. Building Structure, (): -. (in Chinese) [] 程选生, 何晴光, 刘彦辉. 高层建筑结构设计理论 [M]. 北京 : 机械工业出版社,00. CHENG X S, HE Q G, L I U Y H. Theory and design of tall building structures[m]. Beijing: China Machine Press, 00. (in Chinese) [] 范力. 装配式预制混凝土框架结构抗震性能研究 [D]. 上海 : 同济大学,00. FAN L. Investigation on seismic behavior of jointed precast concrete frame structures[d]. Shanghai: Tongji University, 00. (in Chinese) [] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB 建筑抗震设计规范 [S]. 北京 : 中国建筑工程出版社,00. Ministry Housing and Urban-Rural Development of the People s Republic of China. GB Code for seismic design of buildings[s]. Beijing: China Architecture & Building Press, 00. (in Chinese) [] 张学. 预制预应力剪力墙抗震性能研究 [D]. 济南 : 山东建筑大学,0. ZHANG X. Precast prestressed concrete shear wall seismic research[d]. Jinan: Shandong Jianzhu University, 0. (in Chinese)

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