强节点弱构件的深层次解读

时间:2015/08/30 | 作者: | 分类:建筑设计 | 浏览:289 ℃ | 发表评论
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一,设计条件

将帖子中讨论的信息,结合HiStruct高层设计经验进行一下整理,包括:
1. 这是一个400多米高的框架外筒+核心筒的组合结构,处了7度区,二类场地,场地粗糙度为B,抗震设防分组为第一组,基本风压比较大(HiStruct猜)。
2. 外框架采用斜钢管混凝土柱形成X形的外筒,内筒为混凝土剪力墙筒体,外框筒的斜柱采用铸钢X型节点形式,HiStruct认为此结构形式目前在国内只有广州的XX采用。
3. 已进行的风洞试验和构件试验表明,横向风振效应明显,构件试验表明,钢结构构件和节点具有较高的承载力和良好的延性(HiStruct注,钢结构延性一般没问题)
4. 已经进行的初步结构设计表明结构的第一周期约有8s;小震水平下,风对位移角和大部分构件尺寸起控制作用;中震水平下,中震弹性和风荷载共同控制构件的承载力;大震分析的信息无。
5. 已进行的中震弹性设计表明外框X型节点的承载力小于与之相连的斜柱的承载力(约小1.2倍),但是都满足中震弹性的承载力要求。

二,问题:

1. 结构的抗震到底是力的问题还是能量的问题?2. 假如构件已满足中震弹性的承载力要求,那么还用强调“强节点弱构件”设计吗?

三,分析问题1

地震输入结构的到底是力还是能量?其实从宏观的角度来看地震是以能量的形式输入到结构的,而结构的对之的响应将以惯性运动的形式来反应,而惯性运动又可以以力的方式来表达,因此,HiStruct认为力和能量输入实际上一致的,问题的本质差异在于以怎么把地震作用更准确的反映在结构上,即采用何种地震激励和求解算法的问题。随着地震和抗震研究的发展,对于复杂高层的分析以越来越多的依据弹性或者弹塑性时程分析的结果进行设计考量。在对地震理论研究尚无法把握地震准备规律的情况下,以力的方式来进行构件设计和总体把握,而以能量的方式来辅助考虑结构抗震的概念,也未尝不是合理的。

四,分析问题2

构件已满足中震弹性的承载力要求,那么还用强调“强节点弱构件”设计吗?首先,为什么要强调“强节点弱构件”,按照长者曾经告诉我的一样,其实设计规范没有“强节点弱构件”这种说法,我个人是这么理解老先生话的:他说一个概念,即结构的节点是很难做到比构件更强,尤其是混凝土,在较大震作用下也不是非要强调节点不破坏而是要保证结构具有足够的延性和耗能能力而不倒塌,然而由于节点在整个结构传力体系中的重要作用和破坏之后的修复困难,一般我们都强调节点设计的重要性,无论是钢结构还是混凝土,都假设梁进入承载力极限,然后对节点进行超强设计,这样的设计理念是为了保证小震下的结构弹性,中震下的梁等屈服而柱与节点依然弹性,而大震作用下柱与节点可以进入屈服甚至破坏,值得注意的是此时柱与节点实际上都有可能破坏,谁先谁后已经很难控制了。其次,具体分析这个高层项目,在中震弹性的设计下,取消了这些“更强”的内力调整之后,节点和构件的承载力属于统一水平上,即要保证此时传力体系的弹性,请注意此时的传力体系可能已经与小震水平下的不同(内力重分布之后),相当于进一步明确和保证了中震下的结构抗震性能和主要抗震体系的弹性。最后,进入大震,由于柱的承载力明显大于节点,那么节点的破坏将先于柱子,我们预测一下此高层大震下的大致破坏过程:一开始连梁,梁等破坏,然后是核心筒开始局部破坏,转移出来的内力到外框筒(此时楼板或加强层作为转移路径,可能屈服但是不能破坏),梁和核心筒开始进一步的破坏,此后外框筒开始进入屈服,部分节点破坏,位移开始大幅变大,柱开始破坏,假如此时节点强于柱的话,那么位移变化的幅度将没有前者那么大。总之,基于以上的分析,可见如果中震弹性之后,“强构件弱节点”,那么大震弹塑性分析的必要性比“强节点弱构件”要高很多,甚至振动台试验也是必须的,原因就是当节点破坏,位移大幅度变大之后,是否还可以做到大震不倒是控制此设计理念成功与否的关键因素。因此,在未见大震分析或试验结果的时候,这个问题的答案是未定的。

五,小结

超高层设计,一般来说由于其重要性,对抗震的要求非常严格,且必须采用基于性能的设计理念以控制结构的抗震能力能够满足我们的设计要求,这就对结构设计人员的抗震设计概念有较强的要求。HiStruct正在做一篇论文,将对现行抗震设计理念“两阶段,三水准”进行深化,这是后话。



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