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海外工程十五年之一三二——美标钢结构特殊抗弯框架之设计(11)

美标钢结构特殊抗弯框架之设计(11)

美标钢结构设计是一个系列,本文仅介绍特殊抗弯框架设计的内容。为大家学习国外标准起到抛砖引玉的作用。深入研究时,可与郭工进行探讨。

4.分析指南

4.1分析方法

ASCE 7§12.6允许五种不同的分析方法来确定所需的构件强度和设计侧移:(1)等效侧向力法,(2)简化等效侧向力法,(3)振型分解反应谱法,(4)线性时程分析法,(5)非线性时程分析法。抗弯框架设计不允许采用简化等效侧向力(ELF)法。ELF分析是钢结构抗弯设计中允许使用的最简单的方法,但当较高的模态效应显著时,ELF分析将不能取得,也不能解释某些不规则性的影响。因此,ASCE 7§12.6,表12.6-1禁止具有足够大的基本周期的结构采用ELF,这些基本周期可能会产生显著的更高模式效应,或者具有该节中规定的水平或竖向不规则性。

ELF程序允许使用近似基本周期,除非通过更精确的分析确定周期。在大多数情况下,更精确的分析将确定比使用近似方法获得的更长的周期。因此,通常可以通过使用更精确的方法计算建筑周期来大幅降低基底剪力。ASCE 7§12.8.2规定了可使用周期的上限。

振型分解反应谱法或线性时程分析法是首选方法,因为它们更准确地说明了建筑物的动态行为,利用了计算周期而非近似周期,并说明了模态参与,这可能导致比使用ELF方法计算的响应更低。ASCE 7§12.9.4要求将模态基底剪力和所有相应的构件力缩放至使用ELF程序确定的基底剪力的至少100%。本规定旨在防止使用低估刚度并产生不现实的低设计力估计值的分析模型。缩放要求通常不适用于侧移,因为过于灵活的模型将产生保守的更大侧移估计。但如果结构位于主要活动断层附近,且ELF基底剪切受ASCE7§12.8.1.1,公式12.8-6控制,则也必须缩放侧移。

对于计算周期超过ASCE 7限值的结构,振型分解反应谱法或线性时程分析法。弹性反应时程分析比振型分解反应谱分析更困难,但其优点是,从分析中获得的力符号具有意义,并且在任何时刻,结构都将处于平衡状态。在振型分解反应谱分析中,情况并非如此。

ASCE 7§12.6,表12.6-1允许对任何结构进行非线性时程分析。这种分析方法计算复杂。此外,ASCE716章规定了非线性时程分析的要求,当使用该技术时,需要独立的同行审查。ASCE716章还要求使用非线性时程分析进行的设计满足适当线性分析方法的要求,但符合风险类别IIIII的结构的侧移标准放宽。因为侧移通常控制钢结构特殊抗弯框架中的构件尺寸,使用非线性时程分析可以得到更经济的设计。此外,如下文所述,非线性时程分析可用于降低柱所需的轴向设计强度。

线性分析可以使用二维或三维计算机模型。建议使用三维模型,有时也需要三维模型,因为三维模型可有效识别侧向体系中任何固有扭转的影响,以及转角条件下的综合影响。非线性时程分析需要三维模型。

ASCE 7§12.5规定了沿不同建筑轴线组合地震力的要求。梁和柱的设计力是针对每个正交方向的响应独立计算的。通常使用正交组合方法组合产生的地震力,其中一个方向上100%的地震力与竖向30%的地震力组合。需要多种荷载组合来约束两个方向上的正交效应。每个梁和柱的设计基于每个荷载组合的轴向和双轴弯曲相互作用。

AISC341§D1.4a要求立柱具有足够的轴向强度,该强度不受弯曲因素的影响,以抵抗由于框架中全侧移机制的发展而产生的轴向力。对于交叉弯矩框架共用的柱,本节要求考虑两个方向的同时屈服。该要求补充了ASCE7关于该荷载考虑的正交组合规则。如果使用非线性时程分析来确定所需的力,则允许根据该分析限制柱的所需轴向设计强度。这可以导致更经济的设计,特别是对于更高的结构。

在设计AISC31-16中的一个新要求时,同时产生考虑正交框架中框架的同时屈服的要求是设计交叉框架的一部分的要求,之所以提出这一要求,是因为考虑到用于设计钢结构特殊抗弯框架的较大R系数,在两个正交方向上提供侧向抗力的框架中可能同时发生屈服。


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作者: ganggouren

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