河北工程大学土木工程学院毕业设计说明书 2013年
1.5不同含钢骨率钢骨混凝土柱的计算参数
相关研究表明，柱截面含钢骨率?a和轴压比n是影响钢骨混凝土柱抗震性能的两个主要因素。本文通过调整模型柱中的含钢骨率?a和轴压比n，用条带法程序计算了各柱在不同含钢骨率?a和轴压比n条件下的正截面曲率?一弯矩M关系，绘制了?一M曲线，得出了极限承载弯矩Mu、和曲率延性系数??。
含钢骨率共分四种情况:①含钢骨率为0，即将钢骨混凝土柱中的钢骨去掉，使其变成普通的钢筋混凝土柱;②含钢骨率减少30%;③含钢骨率不变;④含钢骨率增大一倍。在条带法程序中，含钢骨率调整方法如下:柱截面尺寸不变，钢筋含量不变，钢骨条带和钢骨单元位置不变，将钢骨条带和钢骨单元的面积Ai乘以相应的折减或扩大系数。
各种轴压比n下的轴压力N的计算都考虑了钢骨。轴压力施加位置在柱折算截面主形心轴的交点。
下面是不同含钢骨率条件下各柱的计算参数。
1、含钢骨率为0
在含钢骨率为0的条件下，各柱的钢筋含量见表1.5-1。
表 1.5-1 钢筋含量表 柱横截面混凝土面钢骨面积钢筋面积钢骨含钢筋含总含钢柱编号 2222积（mm） 积（mm） （mm） （mm） 量% 量% 量% Z1 75243 73761 0 1482 0.00 1.97 1.97 Z2 104222 102319 0 1903 0.00 1.83 1.83 Z3 143178 140980 0 2198 0.00 1.54 1.54 Z4 64918 63913 0 1005 0.00 1.55 1.55 异形截面柱矩形一侧区域A中和圆形一侧区域B中含钢率比较如表1.5-2所示。
表1.5-2 区域A和区域B中含钢率比较 矩形一侧区域A中 圆形一侧区域B 试件编号 含钢筋率 含钢骨率 总含钢率 含钢筋率 含钢骨率 总含钢率 Z1 2.8% 0 2.8% 0.6% 0 0.6% Z2 2.8% 0 2.8% 1.6% 0 1.6% Z3 2.8% 0 2.8% 1.7% 0 1.7% 轴压比n分别为0、0.3、0.6、0.9、1.2、1.5和1.8，各轴压比对应的轴力N值大小见表1.5-3。
1.6本章小结
介绍了钢骨混凝土柱正截面受力一变形全过程分析。将钢骨混凝土柱正截面极限承载力的计算值和承载力值进行了比较，表明计算值和承载力值吻合较好，可用条带法程序对钢骨混凝土柱进行受力一变形全过程计算分析。
用曲率延性系数来表征钢骨混凝土柱截面的延性，并给出了屈服曲率和极限曲率的确定方法。
轴压比和含钢骨率是影响钢骨混凝土柱抗震性能的两个重要因素，本文将对不同含钢骨率、不同轴压比条件下的钢骨混凝土柱进行正截面受力全过程计算分析。
本章给出了各柱在不同含钢骨率、不同轴压比条件下的计算参数;详细的分析及计算将在下一章介绍。
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第2章 混凝土异形柱框架基于位移的抗震设计理论分析
本章针对SRC异形柱框架的特点，并结合其不同性能水平的性能目标，提出SRC异形柱框架基于位移的抗震设计方法。
2.1概述
我国2010年颁布实施的(GB50011-2010 )《建筑抗震设计规范》中给出了实现建筑结构抗震性能目标的参考方法，这是我国首次将基于性能的抗震设计方面的内容列于抗震规范，说明基于性能的抗震设计方法己成为传统的基于力的抗震设计方法之外的又一重要设计方法。目前，国内外学者己经提出多种基于性能的抗震设计理论和方法，如基于能量的方法数设计法、能力谱法屈服点谱法以及直接基于位移的方法抗震设计方法是由Kowalsky和Calvi
[9]
[10]
[4]
[5]
[6]
[7.8]
[23]
[1]
、延性系
等。其中，直接基于位移的
等在1995年提出的，该方法采用等效弹性体系代替
非线性体系，等效弹性体系也被称为替换结构。
我国现阶段建筑结构仍然主要采取“三水准、两阶段”的设计原则，即“小震不坏、中震可修和大震不倒”的三水准设防目标和“承载能力极限状态和正常使用极限状态”两设计阶段，理论上基于承载力或强度。采用该设计原则进行结构设计，问题在于:一是不能保证结构在承载能力和正常使用两状态之外其他状态的损伤程度和功能完整性;二是仅要求结构满足基本的抗震设防目标，没有考虑业主对结构的特殊要求。基于位移的抗震设计能够解决上述问题，其可以根据使用者的实际需要和投资能力选择结构在某水平地震作用下的目标位移，并保证结构在未来实际发生该水平地震作用时能够实现此目标位移。
由于采用力作为单独指标难以全面描述结构的弹塑性性能和破坏状态，而试验研究表明，结构各阶段的性能与变形指标有较好的相关性，即变形比力更能体现结构在地震作用下的性能，因而对结构开展基于位移的抗震设计研究是实现其合理设计的有效途径。目前，不同学者己经对钢筋混凝土矩形柱框架
[11.12]
、钢筋混凝土异形柱框架
[13]
以及SRC矩形柱框架
[14]
基于位移
的抗震设计方法进行了研究，而SRC异形柱框架作为一种新型结构形式，尚没发现相关研究，因此，本章将对SRC异形柱框架基于位移的抗震设计进行研究。
2.2钢骨混凝土异形柱框架的性能水平及其量化指标
基于位移的抗震设计并不是仅能够采用位移反映结构的变形能力和破坏程度，它可以广
义定义为使用任何与位移有关的量来判断结构性能状态的一种抗震设计方法，因此也可将其称为基于结构变形的抗震设计
[1]
[15]
。基于位移的抗震设计要求确定不同性能水平与位移的关系，根
据前面的研究，本文采用层间位移角(“位移”)作为SRC异形柱框架各性能水平的量化指标。
我国现行抗震规范在有关性能设计的使用说明条文中针对多种结构给出了四种破坏状态，本文在此基础上补充一种破坏状态，将SRC异形柱框架结构的性能水平划分为五个等级，即正常使用、暂时使用、修复后使用、生命安全和接近倒塌，对应的破坏状态分别为完好、轻微破坏、中等破坏、不严重破坏和严重破坏。同时，根据SRC异形柱及SRC异形柱框架抗震性能试验结果，本文将SRC异形柱框架五个性能水平对应的层间位移角限值分别确定为正常使
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用，[θ]=1/450;暂时使用，[θ]=1/150;修复后使用，[θ]=1/75;生命安全，[θ]=1/45 ;接近倒塌，[θ]=1/40。
SRC异形柱框架五个性能水平及其相应层间位移角限值的提出，是对规范中规定的结构设防目标的进一步明确和细化，是实现其基于位移抗震设计的首要前提，不仅能够丰富工程结构的抗震设计理论，还将为这种新型结构体系的推广应用奠定基础。
2.3钢骨混凝土异形柱框架目标位移的确定
结构的目标位移可以根据不同性能水平对应的层间位移角限值来确定，具体如式(2-1)一式(2-3 )；
（?u）i?[?]hi （2-1）
ui??(?u)j （2-2）
j?1niut??(?u)j （2-3）
j?1 式中（?u）i，表示不同楼层高度处的层间相对位移，ui表示不同楼层高度处的绝对位
移，ut表示结构顶点的位移，[θ」表示结构的层间位移角限值，hi表示层高。
式（2-1）一式(2-3 )是假定结构在水平地震作用下各层均达到层间位移角限值时计算结
构各层的目标位移的。但研究表明，结构一般是最薄弱的某一层或某几层能够达到层间位移角限值，其他各层均不能达到极限状态。因此，按式(2-1)一式(2-3 )计算的目标位移应予以修正。
SRC异形柱框架结构的侧移形状与SRC矩形柱框架类似，呈整体剪切型，因此，本文将采用文献[14]给出的关于SRC矩形柱框架侧移形状系数的表示式作为SRC异形柱框架侧移形状系数的表示式，具体如式(2-4 )所示:
?i?hi（n?4） （2-4a）
hn?i??i?hi?0.5(n?4)hi??? (4?n?20) 1???hn?16hn?hi?hi???1?0.5?hn?hn? ? (2-4b)
（n?20） (2-4c)
式中，?i表示侧移形状系数，hi表示第i层的竖向位置高度，hn表示建筑物总高度，n表示建筑物的层数。
SRC异形柱框架不同楼层处的绝对位移可表示为：
?uc?ui??i?????? （2-5）
?c?
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2.4多自由度体系的等效过程
基于位移的抗震设计方法首先要将实际结构的多自由度体系转化为“替换结构”的等效单自由度体系，转化时假定:(1>多自由度体系按照假定的侧移形状产生地震反应;(2>两种体系的基底剪力相等;(3)水平地震作用在两种体系上所做的功相等。
现假设n层SRC异形柱框架为具有n个自由度的多自由度体系，将其转化为等效单自由度体系，具体转化过程如图3.1所示。转化后等效单自由度体系的等效质量为Meff，等效刚度
为Keff，等效阻尼比为?eff，相应的等效位移为ueff，等效加速度为aeff，基底剪力为Vb 。
（a）多自由度体系（b）位移形状、加速度、惯性力（c等效单自由度体系）
图2.1 多自由度体系向等效单自由度体系转化
由假定(1)，多自由度体系各质点的位移ui，可表示为:
ui??iz(t) （2-6）
式中，?i表示侧移形状系数，z（t）表示与时间有关的函数。
由于多自由度体系各质点所受到的地震作用大小与其位移成正比，因此可近似认为质点沿水平方向做简谐振动，则式(2一6)可写为:
ui?Y0sin?t?i （2-7）
式中，Y0表示振幅，?表示简谐振动的圆频率。 基底剪力Vb可表示为：
?n?Vb??Fi???mici?aeff?Meffaeff （2-8）
i?1?i?1?可得等效单自由度体系的等效质量Meff为：
nMeff?n???miui?? （2-9）
??i?1ueff水平地震作用Fi为：
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Fi?miui?mui?1nVb （2-10）
ii等效自由度体系位移ueff为：
ueff??mui?1ni?1n2ii （2-11）
?muii根据结构动力学原理，等效自由度体系的基底剪力为：
vb?Keff?ueff （2-12） 图2.2 等效刚度
等效单自由度体系的等效阻尼比可表示为弹性阻尼比和滞回阻尼比之和，即：
?eff??el??hys （2-13）
则等效阻尼比计算公式：
??2.5位移反应谱 ?eff??0?1?1?a?a? （2-14）
基于位移的抗震设计方法是以具有各种阻尼比的位移反应谱为基础建立的。弹性位移反应谱通常可采用两种方法确定，一种方法是根据大量地震记录，通过数值积分求出结构的自振期T和最大位移反应sd之间的关系，采用该方法求得的位移反应谱具有真实性和普遍适应性，但其工作量大且复杂，应用较为困难。另一种方法是根据公式将加速度反应谱sa转为位移反应谱sd。
2?T?sd????sa (2-15)
?2??我国现行抗震规范在给出加速度反应谱时，构的地震作用不致过小，而其相应部分的谱加速度放大，为保证中、长周期结因此若按式(2-15)直接转化，得到的中、长周期结构的谱位移将会存在一定误差。但是，由于本文研究的SRC异形柱框架结构的弹性周期一般较小，相应
[1]