首页 国际标准结构工程-公众号 海外工程十五年之六十六——美标钢结构抗震(18)

海外工程十五年之六十六——美标钢结构抗震(18)

3.9为什么规范对建筑物施加位移限制?

有两个基本原因,该规范限制了建筑的设计偏差。其中第一个问题与我们对可靠预测结构响应和在非常大变形下的行为的能力缺乏信心有关。实际上,位移限制迫使结构的设计在我们的舒适区内作出反应。规范限值位移的第二个原因是为了保护非结构构件,包括外墙、内隔墙和类似物品,在中等强度的地面震动中不受损坏。后一个目的是SEI/ASCE 7规定了重要等级Ⅲ和Ⅳ的结构比重要等级Ⅰ和Ⅱ的结构更严格的位移限制的原因。

3.10什么是冗余?

冗余是一种结构的属性,当多个构件必须屈服或失效时,才会形成倒塌机制。这是设计用于提供抗震能力的结构的一个重要特性,因为基本设计理念假定设计水平的震动将对结构造成重大损坏。如果一个结构的设计使得单个构件或甚至几个构件的失效将导致倒塌,则它将无法承受损伤,并且仍能按照规范的预期发挥可接受的性能。

1994年北岭地震后,调查受损建筑的工程师发现,许多最近设计的结构几乎没有固有的冗余。这是由于劳动力成本增加,市场条件转变的结果,以及具有大截面特性的构件的可用性,这些构件可以用少量构件提供结构所需的所有强度。工程师们观察到结构固有的冗余程度与所受损害的严重程度之间存在直接联系。在这一发现之后,对建筑规范进行了修改,要求将冗余作为抗震设计类别DEF的设计过程的一部分。在此类结构中,冗余系数ρ是根据每层中抗震荷载构件的数量和位置确定的。对于固有冗余度较低的结构,需要放大所需的抗震设计力,以确保结构更坚固、更耐损坏。

3.11分布式结构体系的优点是什么?

分布式体系结构的横向抗力分布在整个结构中,提供了几个重要的好处。首先,分布式体系本质上更具冗余性(见第3.10节)。分布式系统的另一个重要优点是,由于框架中单个构件的尺寸往往较小,因此连接也更小,更经济。最后,在一些结构体系中,由于比例效应,较小的构件往往比较大的构件具有更大的延性。

3.12什么是不规则,为什么重要?

抗震性能最好的结构,除了具有足够的强度、刚度、延性和冗余度外,还具有刚度、质量和强度分布,使其能够在整个结构中均匀分布变形的情况下对地震震动作出反应,而不是集中在一个或几个地方。这些特征之所以重要是因为,如果非弹性变形集中在结构内的几个位置,那么这些变形需求大的区域中的构件的非弹性承载力很容易被超过,并且会产生不稳定性。

SEI/ASCE 7定义了几种类型的不规则,根据不规则的性质,通常分为水平不规则或垂直不规则。这些不规则大部分与结构的几何结构有关,特别是其抗震体系。

规范禁止设计具有DEF类抗震设计中某些类型不规则的结构,包括:

•当楼层的侧向刚度大大小于上述楼层的侧向刚度时,会出现极端的软层不规则;

•当一层的侧向强度大大低于上述楼层的侧向强度时,会出现极端薄弱的楼层不规则现象;以及,

•极端扭转不规则,当地震荷载抵抗系统的垂直构件的布置允许结构在平移时发生大范围扭曲时发生。

规范允许在这些抗震设计类别中存在某些其他类型的不规则结构,但要求使用动态分析来确定此类结构的设计地震力和变形。这是因为等效侧向力分析技术中固有的简化无法充分捕捉具有这些不规则性的结构中发生的力和变形的集中。

3.13预期强度是什么?

符合同一规格和钢种的不同钢构件具有显著不同的屈服强度和抗拉强度。这是因为所生产的每一炉钢的化学成分略有不同,而且钢构件的屈服强度也取决于构件的几何形状、腹板和翼缘的厚度、构件的热历史以及构件成型和制造时的冷加工量。与标准规范(如ASTM A992A572)相关的最小规定值,顾名思义是最小可接受值。符合这些规范之一的大多数结构钢的强度将超过这些最小值。尽管强度的可能变化在不同等级的钢之间有所不同,但在一定程度上取决于标准规范中包含的限制条件,最小规定值20%左右的变化系数并不少见。这意味着超过一半的用于项目的结构钢的强度可能比最小值高出20%,一些此类钢的强度将比最小值高出近40%

虽然在大多数类型的荷载条件下,附加强度在设计中并不重要,但它在抗震设计中可能是一个问题。这是因为在抗震设计中,特别是对于被指定为特殊或中间的结构系统,设计基于这样一个假设,即屈服和其他非弹性行为将发生在结构的特定部分。例如,在支撑框架结构中,非弹性行为应以拉伸支撑的屈服形式而不是螺栓连接的失效形式来适应。AISC 341要求此类结构中的连接件必须设计成能够形成支撑件的屈服强度。为了做到这一点,设计师必须了解成员可能有多强。

AISC 341使用预期强度的概念,向设计师提供钢强度变化对单个构件强度的可能影响的估计。本规范定义了一个系数Ry,该系数衡量典型型钢的平均强度比最小规定值强多少。RyFy量被称为预期强度,用于估算构件在屈服前可能产生的最大力,因此,其他不应屈服的构件和连接件的设计强度可超过该力。在某些规定中,预期强度包括一个附加系数,用于说明钢材应变硬化的影响,这进一步提高了有效屈服强度。

3.14什么是能力设计?

能力设计是一种用于设计抗震结构的方法,在这种方法中,组成抗震荷载系统的构件的强度是成比例的,以便在特定的指定位置适应非弹性行为,这些指定位置足够详细,以适应这种行为。当这些构件屈服时,它们限制了可以传递给其他构件的力,有效地保护它们不受过度应力的影响,并允许它们在保持弹性的同时抵抗设计地震激励。本规程允许设计和规定预计不会屈服或经历非弹性行为的构件,而无需进行严格的细节设计,以提供延性性能。

AISC 341中包含的许多规定旨在产生抗震荷载系统的能力设计。例如,特殊抗弯框架必须成比例,以便通过抗弯框架中梁跨度内的塑性铰来适应非弹性行为,而不是柱。另一个例子是,必须设计特殊的中心支撑框架,使连接和柱比支撑更牢固,从而通过支撑的屈服和屈曲来适应非弹性行为。


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作者: ganggouren

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