双向地震作用下钢框架梁-箱型柱“强柱弱梁”设计方法

本发明属于土木工程抗震，涉及钢框架“强柱弱梁”设计方法，具体涉及一种双向地震作用下钢框架梁-箱型柱焊接节点“强柱弱梁”设计方法。

背景技术：

1、“强柱弱梁”设计对于结构的防倒塌具有重要意义，是世界各国抗震设计中的重要内容。现阶段我国规范的“强柱弱梁”设计理论依旧停留在平面结构计算层次，只分别进行两个主轴平面方向的验算。然而，实际的双向地震作用下空间结构将处于双向受力状态，与规范平面模型下的单向地震作用存在很大差异。

2、实际震害和研究表明：双向地震作用下，柱的变形、耗能、破坏增加而梁却减少；按规范平面设计的梁柱子结构在双向作用下无法达到单向所预期的受力性能；规范单向“强柱弱梁”公式设计的整体框架结构无法实现双向地震作用下的“强柱弱梁”屈服机制。因此，针对双向地震作用开展有关“强柱弱梁”的研究，对于提升结构的抗震安全与抗倒塌能力具有重要的理论和现实意义。

3、目前，现有的“强柱弱梁”设计方法研究已取得一定进展，其通过控制同一节点相连的柱和梁之间的全塑性抗弯承载力匹配关系实现，即梁柱节点交汇处柱端全塑性强度之和(本文称为柱抗力)不小于梁端全塑性强度之和(本文称为梁效应)，通过一定的强柱系数实现一定程度上的“强柱弱梁”。

4、但现行规范未考虑柱在双向地震作用下的双向压弯受力状态，且除了未考虑双向地震作用外仍有以下需要重点考虑的关键因素：

5、关键因素1：框架结构各楼层在大震下的非线性反应特征。由于框架结构在大震下具有强烈的非线性反应而导致大震下其计算模型(见图2(a))发生改变，而现行设计公式形式上均为基于理想梁柱子结构(反弯点在柱中点)。此理想模型可以很好反映梁柱子结构试验特征但却与整体框架进入大震弹塑性阶段的屈服机制有很大差异：框架的部分柱脚和梁端已形成塑性铰，各框架柱反弯点将不位于中点导致梁柱节点上下柱端受力不均甚至反向。因此，现行规范公式均默认上、下柱端的同步受力，对于整体框架中的梁柱节点在大震下的实际受力而言，是不够准确且偏不安全的。

6、关键因素2：大震下柱轴力的动力时变效应。我国“强柱弱梁”公式中，柱轴压力取为常遇地震组合下的柱轴压力n。对于中柱，因其两侧均有梁，侧向地震力下梁剪力可相互平衡使得常遇地震作用引起的柱轴压力几乎为零，故时程中其真实轴压力(见图2(b))保持不变，因此“强柱弱梁”公式对其轴压力n中为保守值；而对于边、角柱存在单侧无梁的情况，大震时程中梁的不平衡剪力叠加后使柱轴压力剧烈变化，常遇地震组合下的柱轴压力可能低估其时程中的最大轴压力，且因受地震动随机性、框架结构形式变化等因素的影响，无法精确估计边、角柱的最大轴压力，这时“强柱弱梁”公式对轴压力n边、n角为不安全估计。

7、关键因素3：楼板对梁、柱受力性能的影响。对梁而言，由于楼板对梁的组合作用使得纯钢梁变为有更高刚度和强度的组合梁，从而增大“强柱弱梁”公式中的梁效应；对柱而言，由于楼板与柱的主要传力方式为楼板在柱宽范围内的直接挤压(见图2(a))，可能会使箱型柱在达到全塑性压弯强度前发生局部屈曲，从而减小“强柱弱梁”公式中的柱抗力。现行规范公式均未考虑楼板对柱抗力折减，仅新西兰规范公式基于梁柱子结构组合梁的极限(楼板受压)状态，考虑楼板对钢梁强度增大作用。

8、关键因素4：梁、柱的应变硬化、材料超强等。现行规范公式的推导均基于材料本构的理想弹塑性假定，即达全塑性时截面为矩形应力分布状态，此时对应截面的弯曲刚度为零。然而实际钢材屈服后存在不可忽略的第二刚度和应变硬化(见图2(d)，随屈服程度的增大截面弯曲刚度逐渐降低。另外，实际钢材存在的材料超强、实际梁柱构件存在的尺寸偏差等随机性因素，同样会对“强柱弱梁”的实现程度产生影响。

技术实现思路

1、为了至少能够解决现有技术中存在的问题之一，本发明围绕双向地震作用下“强柱弱梁”这一核心问题展开，通过理清了规范的单向“强柱弱梁”设计思路并总结出“强柱弱梁”设计方法需重点考虑的四个关键因素，结合四个关键因素形成了本发明的双向“强柱弱梁”设计思路，能为双向地震作用下钢框架结构“强柱弱梁”设计方法提供参考。

2、为了实现本发明目的，本发明提供的双向地震作用下钢框架梁-箱型柱“强柱弱梁”设计方法，包括以下步骤：

3、步骤1：设计出初始框架；

4、步骤2：根据初始框架的反应谱cqc法计算结果按设计(标准)轴压比定义重要梁柱节点和重要截面；

5、步骤3：统一重要梁柱节点双向cof值，手段为固定重要梁柱节点中柱厚度，随层高增大重要梁柱节点梁强度，利用柱抗力和梁效应反算出各节点双向cof值。各层边、角柱与中柱截面保持一致；

6、步骤4：确定实现“强柱弱梁”的程度，参考性能化标准c、d等级，提出两个可量化的评价指标p1、p2；

7、步骤5：统计选取二十组天然波的弹塑性时程分析后框架的损伤指标d，结合本发明评价标准得出符合目标屈服机制的参数框架，若满足，则认为框架在本发明评价标准内能实现目标“强柱弱梁”屈服机制；若不满足，则说明所设计的框架在双向地震作用下无法实现符合本发明评价标准的“强柱弱梁”屈服机制，需要返回步骤3通过增大双向cof值重新设计框架。

8、进一步地，步骤1中，所述的初始框架为运用常规设计软件设计的满足小震组合下结构第一阶段的验算的框架。

9、进一步地，步骤2中，所述的重要梁柱节点为初始框架在反应谱cqc法计算后设计(标准)轴压比大于0.4(0.35)的节点。所述的重要截面为重要梁柱节点的所有上下柱端截面。

10、进一步地，步骤2中，所述的标准轴压比计算公式为：

11、

12、式中，n为常遇地震组合下的柱轴压力(统一取梁柱节点处下柱段的轴压力)，np为空间梁柱节点交汇处箱型柱截面的屈服轴力。

13、进一步地，步骤3中，所述的双向cof值与柱抗力和梁效应的关系式为：

14、对于等截面梁：

15、

16、对于端板翼缘变截面梁：

17、

18、其中n为常遇地震组合下的柱轴压力(统一取为梁柱节点处下柱段的轴压力)，np、mpx分别为空间梁柱节点交汇处箱型柱截面的屈服轴力和绕主轴(单向)的全塑性弯矩，mvx，mvy分别为空间梁柱节点交汇处x、y平面钢梁(未加强)的全塑性弯矩和塑性铰转移所产生的附加弯矩，cof为对应于双向公式的双向强柱系数。上述两式中均定义左式为柱抗力右式为梁效应

19、进一步地，步骤3中，考虑双向地震作用的柱抗力项中经讨论截面不同塑性中和轴位置的情况后，认为在本发明考虑的设计轴压比内取绕主轴的单向压弯全塑性强度mpx为保守值。以柱同时受到正交梁的全塑性强度为基础，考虑地震波幅值、相位不一致，双向公式中的梁效应保守取为梁绕主轴的全塑性弯矩的平方和开方。

20、进一步地，步骤4中，所述的性能化标准c、d等级为2022年发布的《建筑结构抗震性能化设计标准》对应要求的c、d等级，本发明称为c、d等级“强柱弱梁”。

21、进一步地，步骤4中，所述的评价指标p1、p2，其公式为：

22、对于c等级“强柱弱梁”：

23、

24、对于d等级“强柱弱梁”：

25、

26、其中l4％、l5％、l6％分别为重要截面中损伤等级为l4、l5、l6的占比，损伤等级划分参考性能化标准，评价标准流程见图1.

27、进一步地，步骤4中，所述的“强柱弱梁”程度以实现d等级为例：框架在二十组天然波下或的均值加一倍标准差(μ+σ)不大于1，便代表该框架具有足够的概率实现d等级“强柱弱梁”屈服机制；若仅均值(μ)不大于1，便代表该框架可在平均意义上实现d等级“强柱弱梁”屈服机制；若评价指标的统计值均大于1，便代表该框架不满足本文的“强柱弱梁”要求。

28、进一步地，步骤5中，所述的损伤指标d为所有重要截面在地震时程中的最大(压)应变εmax与屈服应变εy的比值，公式为：

29、

30、进一步地，所述设计方法的应用需要满足以下要求：1)本设计方法适用于框架在常遇地震组合下设计轴压比为0.4-0.6的情况；2)忽略楼板对框架柱的挤压作用；3)忽略钢材超强和实际梁柱构件存在的尺寸偏差等随机性因素；4)参数框架中各层边、角柱同中柱一致；5)认为每个框架的变量仅在于“强柱弱梁”控制的严格程度(即双向cof值)，通过评价不同双向cof框架在大震下的抗震性能及构件的受力情况，即可评价该双向cof值的“好坏”。

31、与现有的“强柱弱梁”设计方法相比，本发明所提出的考虑双向地震作用下钢框架梁-箱型柱“强柱弱梁”设计方法至少具有以下优点：

32、1)本发明能准确预测钢框架在双向地震下“强柱弱梁”屈服机制，与现有基于单向地震作用的设计方法相比更具有科学性和合理性；

33、2)本发明提出的双向“强柱弱梁”公式与现规范公式形式一脉相承，同样通过特定系数cof(即对应规范中强柱系数η)控制实现程度，便于工程师学习和实际工程应用；

34、3)本发明提出可避免由于双向地震作用下忽略四个关键因素而导致的“强梁弱柱”和框架柱在实际地震作用下先于梁先破坏的不利耗能机构，有助于减少工程安全隐患。