摘要：當(dāng)前，業(yè)內(nèi)在對(duì)鋼筋混凝土單層框架動(dòng)力穩(wěn)定性判據(jù)的問(wèn)題研究方面還比較少，仍然處于起步階段。在此情況下，如何判定鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的倒塌時(shí)刻已經(jīng)顯得越來(lái)越重要。為此，建立起穩(wěn)定性的判別準(zhǔn)則，有助于地震作用下單層框架動(dòng)力穩(wěn)定性的判斷。本文中，筆者首先闡述了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，然后分析了單層框架結(jié)構(gòu)的模型建立，最后在前文的基礎(chǔ)上詳細(xì)探討了單層框架動(dòng)力的穩(wěn)定性，從而形成了對(duì)單層框架動(dòng)力穩(wěn)定性的更好判斷，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)內(nèi)容的研究起到一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：建筑物；單層框架結(jié)構(gòu)；動(dòng)力穩(wěn)定性；判據(jù)

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑行業(yè)也取得了非常矚目的成績(jī)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物拔地而起，各種類(lèi)型的鋼筋混凝土建筑物已經(jīng)吸引了越來(lái)越多人的注意力。對(duì)于鋼筋混凝土建筑物的設(shè)計(jì)而言，在其設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮到防震這一因素。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物中，防震的關(guān)鍵在于建筑物的穩(wěn)定性。單層框架動(dòng)力穩(wěn)定性的如何，直接關(guān)系到地震發(fā)生時(shí)其是否倒塌。對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，必須要建立起穩(wěn)定性的判別準(zhǔn)則，提出防倒塌設(shè)計(jì)的理論。通過(guò)穩(wěn)定性判別準(zhǔn)則的建立，能夠?yàn)閱螌涌蚣芙Y(jié)構(gòu)的建筑物防地震侵襲帶來(lái)很大的參考價(jià)值。

1、鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的相關(guān)闡述

1.1基本概念

何為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)？所謂鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)指的是由鋼筋混凝土橫梁、縱梁和柱等構(gòu)件所組成的結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中，墻體不承重，內(nèi)墻和外墻起到的作用是分隔和圍護(hù)[1]。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)有著自身的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也有著一定的缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)之處：（1）空間開(kāi)闊，提升建筑平面布置的靈活性，使得門(mén)窗的設(shè)置有更多地選擇。（2）實(shí)用性廣，可以適用于各種類(lèi)型的建筑物種，特別是一些剛度要求高、體型規(guī)范要求高的公共建筑。其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)以下幾個(gè)方面：（1）抗側(cè)剛度比較小，一旦水平荷載作用過(guò)大，將會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形。（2）結(jié)構(gòu)的高度受到限制，容易受到地震的破壞性影響。

1.2主要類(lèi)型

結(jié)合當(dāng)前鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工的實(shí)際情況，可以將該結(jié)構(gòu)類(lèi)型進(jìn)行細(xì)分，主要分為整體式、裝配式和裝配整體式。整體式框架常被稱(chēng)為全現(xiàn)澆框架，該類(lèi)型框架的最大好處從起名字也不難看出，整體性比較好，有利于抗震，不足之處在于需要耗費(fèi)相當(dāng)大的工程量，并且施工周期也比較常[2]。裝配式框架的構(gòu)建全部為預(yù)制，在施工現(xiàn)場(chǎng)吊裝和連接，優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省模板，工期較短，缺點(diǎn)是整體性有待提升。裝配整體式框架是將預(yù)制梁、柱和板現(xiàn)場(chǎng)安裝之后，在構(gòu)件連接處澆搗混凝土，使之形成一個(gè)整體。優(yōu)點(diǎn)有鋼材用量少、整體性介于整體式和裝配式之間，缺點(diǎn)是施工起來(lái)復(fù)雜性比較高，施工的難度比較大。

2、結(jié)構(gòu)的動(dòng)力穩(wěn)定性

2.1結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)特性

首先，分支點(diǎn)失穩(wěn)。如果平衡出現(xiàn)尖點(diǎn)，則結(jié)構(gòu)有極大的可能會(huì)在該點(diǎn)處失去穩(wěn)定性，呈現(xiàn)出變形模態(tài)，這種失穩(wěn)被稱(chēng)之為分支點(diǎn)失穩(wěn)，也可以稱(chēng)為分支點(diǎn)屈曲。其次，極值點(diǎn)失穩(wěn)。如果平衡路徑光滑連續(xù)，但出現(xiàn)一個(gè)極值點(diǎn)，則結(jié)構(gòu)很有可能在該點(diǎn)處失去穩(wěn)定性，這種失穩(wěn)常被業(yè)內(nèi)稱(chēng)之為極值點(diǎn)失穩(wěn)或者極值點(diǎn)屈曲[3]。

2.2結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性判據(jù)研究

對(duì)于結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性的判別準(zhǔn)則，業(yè)內(nèi)提出了很多關(guān)于判別的準(zhǔn)則和方法。（1）Movchan-Lyapunov法。該方法建立在離散力學(xué)系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性的嚴(yán)格方法，其缺點(diǎn)在于不能給出統(tǒng)一的法則來(lái)構(gòu)造Movchan-Lyapunov泛涵[4]。（2）B-R準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則認(rèn)為，如果所加荷載的微小量可以導(dǎo)致結(jié)構(gòu)響應(yīng)的巨大變化，則所對(duì)應(yīng)的荷載便是動(dòng)力穩(wěn)定的臨界荷載。（3）Simitses勢(shì)能準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則認(rèn)為臨界失穩(wěn)條件和系統(tǒng)的總勢(shì)能直接相關(guān)，將系統(tǒng)動(dòng)力穩(wěn)定臨界狀態(tài)與結(jié)構(gòu)的總勢(shì)能相聯(lián)系，確定為動(dòng)力臨界上的上、下界。（4）王仁能量準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則的基本思想是：在一定的沖擊荷載作用下，若對(duì)于它所處基本運(yùn)動(dòng)的任何一個(gè)幾何可能偏離，都必將使系統(tǒng)在此偏離過(guò)程中所吸收的能量大于荷載所做的功力，則它的基本運(yùn)動(dòng)是穩(wěn)定的，或者說(shuō)對(duì)任何導(dǎo)致屈曲的相對(duì)于前屈曲運(yùn)動(dòng)的任何偏離，都將違背能量關(guān)系，屈曲則不會(huì)發(fā)生。

3、單層框架結(jié)構(gòu)模型的建立

在對(duì)鋼筋混凝土單層框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性進(jìn)行研究時(shí)，要想獲取到理想的研究效果，必須要建立起單層框架結(jié)構(gòu)模型。在實(shí)際的建立過(guò)程中，要將三維實(shí)體框架進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化成平面框架，以此讓橫梁的剛度變得無(wú)窮大。根據(jù)軸壓比的不同以及長(zhǎng)細(xì)比的不同，設(shè)計(jì)出12種柱截面為方形或者是工字型的單層框架。借助平面單元來(lái)對(duì)橫梁及框架柱進(jìn)行模擬，通過(guò)集中質(zhì)量法的使用來(lái)反映結(jié)構(gòu)分布的情況，以此實(shí)現(xiàn)更加有效的研究。

4、單層框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性的分析

考慮到地震對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物有著很強(qiáng)的破壞力，而建筑物結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)注重對(duì)其質(zhì)量與安全因素的考慮。單層框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力穩(wěn)定性直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的抗震性能，因而針對(duì)其動(dòng)力穩(wěn)定性的研究具有十分重要的意義。

4.1分析的前提與基礎(chǔ)

本文中，筆者為了更好地進(jìn)行研究，選取了3條天然地震波，一個(gè)是EL Centro波，另一個(gè)是Northridge波，還有一個(gè)是Taft波。分析研究的過(guò)程中，需要使用到Nonlin軟件、Ansys軟件，利用這兩種軟件對(duì)兩類(lèi)框架在3種類(lèi)型地震作用下進(jìn)行了時(shí)程響應(yīng)動(dòng)力穩(wěn)定性分析。得到了框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與不穩(wěn)定時(shí)的相平面曲線(xiàn)、滯回曲線(xiàn)以及能量時(shí)程曲線(xiàn)。從而提出判斷單層框架動(dòng)力穩(wěn)定性的判據(jù)。

4.2時(shí)域穩(wěn)定的判據(jù)

地震發(fā)生時(shí)，單層框架結(jié)構(gòu)一般都會(huì)受到地震作用或者其引發(fā)的外力影響，而發(fā)生不同程度的變動(dòng)。這種變動(dòng)存在一定的規(guī)律：結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)，即位移與時(shí)間的關(guān)系中，隨著時(shí)間的逐漸向后推移，瞬態(tài)響應(yīng)會(huì)變得越來(lái)越多，直至消失或者持續(xù)不斷。如果處于此種狀態(tài)的時(shí)候，可以判斷出單層框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力體系是穩(wěn)定的。與之相反，如果單層框架結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)，隨著時(shí)間的不斷推移，在某一刻突然變大，并且呈現(xiàn)逐步發(fā)散的趨勢(shì)，則說(shuō)明單層框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力體系處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在劉迎春等[5]研究中，針對(duì)單層框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性判據(jù)的研究中，關(guān)于時(shí)域穩(wěn)定判據(jù)這一方面，進(jìn)行了數(shù)據(jù)模擬。從瞬態(tài)響應(yīng)零秒開(kāi)始，穩(wěn)定時(shí)的單層框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力體系一直保持持續(xù)不斷的趨勢(shì)，而不穩(wěn)定狀態(tài)下的單層框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力體系則在第六秒左右的時(shí)候，瞬態(tài)響應(yīng)突然增大，并呈現(xiàn)直線(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

4.3相平面軌跡穩(wěn)定判據(jù)

對(duì)于相平面估計(jì)的穩(wěn)定判據(jù)，可以這樣進(jìn)行詳細(xì)的分析。地震發(fā)生之后，形成地震作用力，受到地震作用力及其引發(fā)的其它作用力的影響，單層框架結(jié)構(gòu)相平面上的相軌跡狀態(tài)會(huì)發(fā)生一定的變化，這種變化主要表現(xiàn)為以下兩個(gè)方面。一方面，如果框架結(jié)構(gòu)在地震作用下，相平面的相軌跡的狀態(tài)點(diǎn)在數(shù)個(gè)相軌跡環(huán)中做順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，但不存在相反的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，則可以判定此時(shí)單層框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力是穩(wěn)定的。另一方面，如果在地震作用的影響下，相平面上的相軌跡的狀態(tài)點(diǎn)在數(shù)個(gè)相軌跡環(huán)中突然脫離順時(shí)針的環(huán)形運(yùn)動(dòng)方向，并且還產(chǎn)生“拐點(diǎn)”，然后逐漸擴(kuò)散，則說(shuō)明此時(shí)單層框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性不足。

4.4能量穩(wěn)定判據(jù)

單層框架結(jié)構(gòu)的建筑物，在其設(shè)計(jì)的過(guò)程中，除了上述提及到的時(shí)域穩(wěn)定的判據(jù)、相平面軌跡穩(wěn)定判據(jù)之外，還應(yīng)當(dāng)考慮到能量穩(wěn)定判據(jù)。其實(shí)，對(duì)于能量穩(wěn)定判據(jù)的研究比較多，比較具有代表性是當(dāng)屬劉迎春等研究，在其研究中，提出了單層框架結(jié)構(gòu)能量穩(wěn)定的判據(jù)：受到地震作用的影響后，隨著時(shí)間的增加，滯回耗能以及阻尼耗能和動(dòng)能都會(huì)出現(xiàn)一定程度的遞增，這種遞增有一定的規(guī)律可循，并且此時(shí)結(jié)構(gòu)動(dòng)力是穩(wěn)定的；相反，如果在時(shí)間不斷推移的基礎(chǔ)上，在某一時(shí)刻滯回耗能突然呈下降，單層框架結(jié)構(gòu)本身的動(dòng)能結(jié)構(gòu)突然增加，則以前的遞增規(guī)律將會(huì)全部被打破，此時(shí)的能量耗散會(huì)顯得非常混亂，這時(shí)的結(jié)構(gòu)體系將會(huì)處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。

5、結(jié)語(yǔ)

總而言之，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為了當(dāng)前建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主流之一，對(duì)建筑行業(yè)的發(fā)展起到了巨大的促進(jìn)作用。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)之一便是高度不高，單層框架結(jié)構(gòu)比較常見(jiàn)。由于單層框架結(jié)構(gòu)的建筑物在其設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到地震因素，因此對(duì)框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力體系穩(wěn)定性的判據(jù)研究非常有必要。本文通過(guò)對(duì)柱截面為方形和工字形的單層框架在不同地震作用下的大規(guī)模的動(dòng)力穩(wěn)定性分析，對(duì)單層框架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)的特性有了更加詳細(xì)地了解，提出判定框架失穩(wěn)的三類(lèi)判據(jù)，可作為進(jìn)一步研究框架動(dòng)力穩(wěn)定性的參考，并為框架防倒塌設(shè)計(jì)提供可參考的依據(jù)。

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