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1、浅议高层钢筋混凝土框架结构抗风可靠性分析1.前言随着科学技术的进步和社会的发展,高层建筑和高耸结构不断出现,并向着高强轻质的方向发展，结构的刚度和阻尼在不断地下降。风成为高层建筑结构设计控制荷载的趋势越来越明显，因而对风荷载的研究是工程结构设计计算中必不可少的一部分，风荷载作用在时间、强度和空间的强随机性，以及结构材料强度、设计和施工过程以及人为因素的影响，使得结构的性能在风荷载作用下会有很大的不确定性，故应该把可靠度理论应用到结构抗风设计中合理地考虑这些不确定因素，即进行抗风可靠性分析。2风荷载计算方法，风压的确定3.高层钢筋混凝土框架结构抗风可靠性分析方法3.1 高层框架结构基于极限状态的
2、抗风可靠性分析承载能力极限状态根据概念设计的思想,钢筋混凝土框架结构要做到/强柱弱梁0!/强剪弱弯0和/强节点弱构件0,以增加结构在水平荷载作用下延性和耗能能力,减少因结构破坏而给人们带来的损失框架梁柱节点设计相对较强,因此本文将其看做完全刚性节点规范145要求在风荷载作用下,结构应基本保持在弹性阶段,有局部承载力失效就可认为结构破坏正常使用极限状态(1)!层间位移层间位移限值是控制高层建筑结构的一个重要指标由于梁柱的弯曲和柱子的轴向变形使高层框架结构产生水平位移,为保证高层建筑结构具有必要的刚度,应对其层间位移加以控制,避免建筑的局部过大变形(2)!裂缝宽度钢筋混凝土结构构件在正常使用阶段允
3、许出现裂缝,所以还应该验算裂缝宽度是否满足规范要求粘结滑移理论认为,裂缝的形成!开展主要是由于裂缝间混凝土与埋置于其间的钢筋变形不协调所致3.2 基于结构位移控制的可靠性分析位移限值一般根据结构的材料、类型并结合实践和试验资料加以确定。在通常高层结构设计中,常常是根据经验假定结构尺寸,按强度要求复核截面强度或配筋,然后按刚度要求进行位移演算。由于假定截面尺寸往往较大,求得的位移值往往较小,有时还会远离位移限值,造成了刚度上过分储备是很大的浪费。这样,增大了自重,浪费了材料,还增加了高层结构的负担。如果结构设计时,先充分利用位移限值,按位移限值确定截面尺寸,充分满足刚度要求,然后再按强度要求复核
4、截面或配筋,此时由于充分发挥材料的抗力,满足刚度和强度的要求而不过分,必然达到节省材料减轻自重的目的,是一种合理的设计计算方法。3.3 抗风舒适度可靠性分析3.4抗风动力可靠度分析 基于结构动力学和概率论的方法来研究风荷载作用下的结构动响应问题是结构动力学的一个新的分支结构动力可靠度理论l1。它经过几十年的发展,目前已被普遍认为是处理结构分析与设计过程中各种随机因素的最有效的方法。在发展过程中,结构动力可靠度理论取得了丰富的成果,但由于问题的复杂性和影响因素的不确定性,这一结构工程和风工程界的前沿课题经过了近三十年的发展仍不成熟。因此研究风荷载作用下的结构动力可靠度问题具有重要的意义,。3.5
5、 抗风分析的Pushover方法*静力弹塑性Pushover分析方法是1975年提出的3,直到20世纪90年代初才在基于性能及基于位移的抗震设计方法中被应用4,Pushover分析方法的研究随之展开,一些国家的抗震规范规定将该方法作为工程结构抗震设计的静力分析方法。Pushover方法可以考虑材料的非线性,进行建筑结构抗震性能的简单估算。该方法比静力弹性分析的结果要准确,又比动力分析方法简便得多,目前已被广泛应用于结构的抗震设计估算。 一般风速情况下,结构处于弹性状态,由规范静力等效风荷载方法得出的风振响应结果可以满足工程需要;当结构在强风作用下进入弹塑性状态,规范的静力分析方法得到的结构风振
6、响应值一般是小于真实响应的,且这种误差是随着风速的提高和结构塑性变形的增加而增大的。 3.6 抗风性能的安全评价与社会经济评价屋盖等,风荷载常常起控制作用因而对风荷载的研究是工程结构设计计算中必不可少的一部分风荷载作用在时间!强度和空间的强随机性,以及结构材料强度!设计和施工过程以及人为因素的影响,使得结构的性能在风荷载作用下会有很大的不确定性故应该把可靠度理论应用到结构抗风设计中合理地考虑这些不确定因素,即进行抗风可靠性分析在非地震区,风荷载是高层建筑的主要设计荷载,结构在风荷载作用下的响应直接决定了结构的可靠度目前在高层建筑结构的抗风可靠性分析中,为了使问题简化通常认为结构本身的随机性远小
7、于风荷载的随机性143,因此在可靠性分析时一般不考虑结构的随机性,于是结构的抗力可视为一确定性的量本文以下的分析也采用这种分析模式3.1风荷载的计算方法及概率分布类型根据大量的实测资料,同时为了便于数学处理,将风荷载分解成平均风荷载和脉动风荷载两部分.0平均风荷载可视为静力荷载,使结构产生静力变形;而脉动风荷载则必须作为动力荷载处理,因为它使结构产生了不可忽视的加速度,结构发生振动响应在可靠性分析时,平均风荷载作为随机变量考虑,而脉动风荷载则必须作为时间与空间的随机过程来研究高层建筑结构的动力可靠性的分析是复杂而困难的5浙,43,因而在荷载规范44t1用一个风振系数几将动力荷载(由随机过程描述)按照静力等效的原则转化为一静力荷载(由随机变量描述),使其便于在结构设计中使用3.2风荷载作用下高层框架结构的受力变形特点和分析方法3.3高层框架结构基于极限状态的抗风可靠性分析方法1 结构在风荷载下的失效形式与安全界限2 结构抗风可靠性分析的几种重要方法2.1 基于随机变量的分析方法2.2 基于随机过程的分析方法1 基于性能的结构抗风设计2 设计风压等级3 结构风振性能水准高层建筑结构抗风分析的Pushover方法*2 风对建筑结构的作用及结构的风效应