本文是一篇建筑工程管理论文，本文主要以基于能量抗震设计为基础，通过 34 个强柱弱梁模型对钢框架结构抗震耗能分布进行研究，主要得到了以下研究成果：1、梁柱能力系数对结构柱滞回耗能分布的影响及其关系式(1)梁柱能力系数对柱总滞回耗能分布的影响及其关系式在调整钢框架结构整体能力系数的模型中，随着柱能力系数的增大，柱总滞回耗能占比先增长后降低，且降低趋势缓慢，同倍数增加梁柱能力系数对柱总滞回耗能的影响与其相同；随着梁能力系数的增大，柱总滞回耗能占比逐渐降低，且降幅越来越小。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景和意义
抗震规定中指定的水平地震力仅提供了最小横向抗力，这并不能保证结构在地震中不被损坏，而在结构损坏的过程中，使梁先破坏，柱最后破坏是一直以来的设计目标，为了实现梁比柱提前发生破坏，构件的设计就极为重要，而研究构件的相关能量参数是确定结构损伤的一种常用方法。结构损伤的过程包括弹性变形和塑性变形，其中塑性变形过程复杂，并且构件的塑性性能在结构的地震响应中具有作用极为重要，所以大多关于结构损伤耗能的研究都是围绕塑性变形展开的。最早的抗震设计理念是基于性能的设计方法，这种设计理念要求在工程中采用基于承载力和基于位移的方法来对结构进行设计，且在过去二十年中得到广泛应用。虽然基于性能的设计方法考虑了结构的实际抗震性能，并且在其结构设计阶段被认为是更合理的抗震设计方法，但结构在地震响应过程中产生的累计损伤效应却被忽视，结构的抗震性能并不能被全面评估。而基于能量的设计方法提供了另一种选择，长期以来，能量和基于能量的参数被认为是设计不同抗震等级的结构的最合理参数，基于能量的设计方法认为结构必须耗散在 EQGM(有效强运动持续时间、振幅、频率含量等的函数)期间赋予它的所有能量才能不被损坏，能量输入包括 EQGM 特征(有效强运动持续时间、振幅、频率含量等的函数)和结构特性(质量、基本自然周期等)，尽管 EQGM 的不规则性很高，但输入结构能量被认为是稳定的。结构设计可以定义为输入能量和结构能量耗散能力的平衡，结构在地震过程中会将地震产生的总输入能量全部自我消散，在这一过程中，一部分输入能量将以弹性应变能和动能的形式表现，其他能量将以结构和非结构构件的耗散阻尼和非弹性行为形式表现。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
基于力和基于位移的设计概念仅基于地震作用下结构的峰值响应；不考虑其响应的加载历史或时间历史，峰值响应并不能说明结构在地震地面运动期间是如何发生非线性变形的，在这一过程中结构内部有许多不同种类的能量积累，例如结构构件吸收的塑性能量，这种能量的积累能明确的展现结构所遭受的破坏，尤其是在钢筋混凝土结构中。因此，抗震设计应该是与时间历程相关的，而不仅仅是基于特定时刻的峰值响应，在此基础上，出现了一种新的基于结构能量输入和耗散的设计方法——基于能量的设计。根据这种方法进行设计时，需使该结构必须能够在强地面运动期间吸收的能量比输入到结构中的能量更多，以确保结构能有效地抵抗地震运动。
Berg and Thomaides[1]、Penzien[2]和 Zahrah[3]等人得出结论，地震时结构的滞回耗能是影响结构损伤程度的关键因素,如果地震对结构的能量输入低于其能量吸收能力，则认为结构能够抵抗地震地面运动；对多自由度（MDOF）系统进行了基于能量设计的概念以及滞回能量分布的确定，介绍了仅通过模态叠加在MDOF 系统楼层上分配地震能量需求的程序，该模态是通过静力弹塑性分析建立的。Ghosh 和 Collins[4]等人提出了适用于系统的滞回耗能分布，尽管有大量文献涉及剪力墙结构中的滞回能量分布，但关于剪力墙结构高度上滞回能量均匀分布条件的研究还没有在文献中提及。Shargh and Hosseini[5][6]研究得出可以在线弹性 MDOF 建筑的整个高度上找到一个最佳的刚度分布，以使总的地震输入能量最小化，其中的一个考虑因素是造成结构损伤的滞后能量。Shargh[7]等人继续研究得到这种最佳刚度分布使总耗散滞后能量最小化。Selcuk Dogru和 Bora Aksar[8]总结了基于能量设计方法的能量方程，认为结构设计可以定义为输入能量和结构能量耗散能力的平衡，经受地震的结构应该耗散所有的输入能量，一部分输入能量转化为弹性应变能和动能，其他能量由结构和非结构构件的耗散阻尼和非弹性行为耗散。基于能量概念的研究通常应用于单自由度(SDOF)系统，对于 MDOF基于性能的评估(包括能量参数)仍需要更多的研究和新的更简单的方法。
第 2 章 工程设计示例及有限元分析
2.1 钢框架结构设计
2.1.1 基础模型
本文设计一个十层每层 3.6m 的钢框架基础模型，选用 Q345B 钢，跨数：横向 3 跨，纵向 6 榀；横向纵向每跨都是 6 米；结构的平面尺寸如图 2-1 所示，抗震设防烈度选取张家口市下花园所在分组，地震分组为第二组；设防烈度和加速度分别是 8 度，0.2g，Ⅱ类场地，只考虑水平地震作用；该工程中梁和柱均采用焊接 H 型钢，截面塑性耗能区承重性能等级取 6、延性等级取 II。本文仅考虑水平地震作用。
2.2 有限元模型
2.2.1 模型选用结构
在受到地震波冲击的过程中，首先将进入弹性状态，接着会进入弹塑性状态，在这一状态的转变中，结构构件将产生一些损伤与能量消耗。对结构在地震过程中的性能和损伤变化进行准确分析是判断结构抗震性能的重要一步。常见的结构分析模型主要包括层模型和杆模型。因为本文研究的钢框架结构主要受力和承担损伤的构件是钢梁和钢柱，所以选择杆模型，将楼板视为平面内刚度无限大，不参与结构抗震耗能过程。钢框架结构模型中的梁柱选择纤维模型，并确定本构关系。
本构关系指的是结构或构件在受到外力荷载时的变形与外力荷载的关系。在现实中，这些可能的概念关系必须通过特定的实验和相关的计算来可视化。本构关系的选择对弹塑性分析的结果具有决定性的作用。本文的模型本构关系选用钢材的双折线模型。
2.2.2 模型建立
梁、柱是钢框架结构抗震过程中主要的受力构件，为便于模拟分析，每个梁构件划分为 3 个单元，每个柱构件划分为 3 个单元，板边布种 6 个，共划分 36个单元。先建立全部楼板的框架模型，再采用网格合并的方式将其与梁柱框架模型相嵌合，钢框架基础模型的有限元模型如图 2-2 所示。在基础模型的基础上，改变梁、柱的能力比，最终共建立 34 个强柱弱梁模型。
第 3 章 能力系数对钢框架结构耗能的影响.......................21
3.1 柱总滞回耗能的分布..................................21
3.1.1 柱总滞回耗能分布规律............................21
3.1.2 柱总滞回耗能分布计算公式..............................24
第 4 章 综合抗震性能对结构的设计建议...........................46
4.1 结构抗震性能分析.................................46
4.1.1 钢框架结构层间位移..................46
4.1.2 强柱弱梁对结构塑性铰发展的影响..............................48
第 4 章 综合抗震性能对结构的设计建议
4.1 结构抗震性能分析
4.1.1 钢框架结构层间位移
楼层位移值是可以体现结构的抗震性能的一个方面，本文采用 MPA 分析得到的楼层相对位移值对结构抗震性进行分析，在此只讨论强柱弱梁钢框架中调整钢框架结构整体梁、柱能力系数的模型。层间位移如图 4-1 所示，其中图 a)表示钢框架结构柱能力系数对结构层间位移的影响；图 b)表示钢框架结构梁柱能力比为 1 时，钢框架结构梁柱能力系数对结构层间位移的影响；图 c)表示钢框架结构梁能力系数对结构层间位移的影响。
第 5 章 结论与展望
5.1 结论
本文主要以基于能量抗震设计为基础，通过 34 个强柱弱梁模型对钢框架结构抗震耗能分布进行研究，主要得到了以下研究成果：
1、梁柱能力系数对结构柱滞回耗能分布的影响及其关系式
(1)梁柱能力系数对柱总滞回耗能分布的影响及其关系式
在调整钢框架结构整体能力系数的模型中，随着柱能力系数的增大，柱总滞回耗能占比先增长后降低，且降低趋势缓慢，同倍数增加梁柱能力系数对柱总滞回耗能的影响与其相同；随着梁能力系数的增大，柱总滞回耗能占比逐渐降低，且降幅越来越小。
(2)梁柱能力系数对不同楼层的柱滞回耗能分布的影响及其关系式
柱能力系数的增加或是梁柱能力系数同倍数增加，都会使结构整体的柱滞回耗能集中在底层和第二层，其余楼层的柱滞回耗能占比几乎不受能力系数的影响。
(3)同一楼层中梁柱能力系数对柱滞回耗能分布的影响
规律钢框架结构整体柱能力系数与底层各榀框架中各个柱的滞回耗能占比都呈负相关；结构整体同倍数增加的梁、柱能力系数与底层各榀框架中各个柱的滞回耗能占比呈正相关；钢框架结构整体梁能力系数对底层各个柱的滞回耗能占比几乎不影响。
钢框架结构底层柱能力系数与各榀框架的中柱滞回耗能占比呈负相关，与边柱呈正相关；结构底层同倍数增加的梁、柱能力系数与底层各榀框架中柱的滞回耗能占比是负相关的关系，与边柱滞回耗能占比呈正相关；底层梁能力系数对底层各榀框架的柱滞回耗能分布相关性不大。
第二层梁柱能力系数与各榀框架的柱滞回耗能占比呈正相关；底层梁柱能力系数与底层各榀框架边柱滞回耗能占比呈正相关，与中柱的滞回耗能占比呈负相关；同时增大底层和第二层梁柱能力系数与增大底层梁柱能力系数模型对底层各榀框架的柱滞回耗能占比影响几乎相同。
参考文献
