南京江宁区陶吴社区综合服务中心结构设计与抗震韧性提升研究文献综述

一、选题背景和意义：

本次毕业设计的主体是坐落于江苏省南京市江宁区的陶吴社区综合服务中心建设项目，选题在注重结构设计的同时还提出了对该结构抗震韧性提升的相关研究要求，是集本科四年所学习的力学、构件设计、结构设计、抗震验算等知识于一体的全方位考察，也对上述知识在工程中的综合应用提出了更高的要求。

该服务中心的主要功能包括会客、居民活动、购物、诊疗、休息等；建筑层数为5层，建筑高度24.3米；总建筑面积约为15237.19平方米，室内外高差300 mm；设计使用年限50 年，结构安全等级为二级，抗震设防烈度为7度。该项目建成之后，可以最大限度为陶吴社区居民的日常活动与就医提供方便，有助于我国推进“文明城市”建设，提升人民幸福指数。

本结构为地上五层，根据建筑功能的要求，为使建筑平面布置灵活，获得较大的使用空间，本结构设计采用钢筋混凝土框架承重，现浇整体式钢筋混凝土楼板。除此之外，框架结构还具有以下优点：自重轻，有利于抗震，节省材料；采用现浇混凝土框架时，结构的整体性、刚度较好，而且可以把梁或柱浇注成各种需要的截面形状。

钢筋混凝土结构的设计理念分为理论方法和设计手段。其中理论方法里要进行内力和截面的设计，常用竖向结构的设计方法有分层法、迭代法，常用的横向结构设计方法有D值法，反弯点法等，求水平地震作用的时候采用底部剪力法。截面设计要注意好正截面设计和斜截面设计。设计手段中要考虑好不利位置，以及荷载的布置是采用满载满布还是单跨组合形式。然后进行结合所学过的知识、通过查阅参考资料初步设计，再交指导老师审查，审查通过后，利用AutoCAD、和手工完成绘图，利用Excel、Word等完成设计说明书及其他内容的编写。

本次毕业设计除了针对钢筋混凝土框架进行结构设计外，考虑到社区服务中心占地面积广阔、投入成本高、人流量大的特点，其结构安全的重要性不言而喻。因此，在普通框架设计的基础上，为了提高结构的抗震韧性，保证人民的生命财产安全，预计在结构中添加自复位节点相关设计进行建模，并利用有限元软件OpenSEES对新型自复位体系进行地震波响应分析。取结构的一榀建模，将边跨节点改为带磨擦板的自复位节点构造，并利用预应力筋实现结构的震后自复位功能。建模之后输入地震波激励，得到地震作用下的节点位移、加速度时程曲线，与普通框架进行对比，验证自复位结构体系优越的抗震性能。

本次毕业设计可以树立我们作为毕业生严谨的工作方法，培养自己严肃认真的科学态度。为了完成这次毕业设计，我们不仅需要客观的专业知识，还要根据工程背景，灵活地将这些知识串联起来，结合现代化计算机软件以实现知识的综合分析应用。与此同时，我们可以通过本次毕业设计更好的了解国内外建筑设计的发展的历史、现状及趋势，更多的关注这方面的学术动态以及专业发展的方向，为以后的学习和工作做好准备。

二、课题关键问题及难点：

本次毕业设计主要包括结构方案设计、结构分析、结构计算及绘制施工图四个步骤，重点在于结构设计与性能分析，其中关键问题和难点主要如下所示：

1.设计方法：建筑结构设计应根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载（效应）组合，并取各自的最不利组合进行设计。地基基础设计，必须坚持因地制宜、就地取材、保护环境和节约资源的原则，根据岩土工程勘测资料，综合考虑结构类型、材料情况与施工条件等因素，精心设计。

2.布置原则与抗震构造措施：钢筋混凝土多层框架结构房屋具有良好的抗震性能，结构设计中只要经过抗震计算并采取妥善的抗震构造措施，在一般烈度区建造多层框架房屋是可以保证安全的。设计时，遵循“三强三弱”原则，即强柱弱梁原则、强剪弱弯原则、强节点弱杆件原则。同时，满足结构抗震构造措施。要明确框架结构的抗震级数，采用规则结构以利于房屋抗震，按照“三统一”的原则，确定柱网尺寸，确定材料及截面尺寸，以及基础的选定。

3.抗震韧性有限元分析：本次设计在普通框架的基础上，会涉及到运用有限元软件进行建模和模拟分析，首先需要对OpenSEES进行系统的学习。OpenSEES (Open System for Earthquake Engineering Simulation)是由美国国家自然科学基金资助、太平洋地震工程研究中心主导、加州大学伯克利分校为主研发的非线性分析软件，是一款开源性的有限元软件，没有可视化建模界面，全部运用命令流操作。同时，软件包含多种本构关系及单元类型，如何正确选用并建模是一大难点。

4.施工图绘制：毕业设计一共要绘制至少8张施工图，包括屋面结构布置及配筋图、标准层结构布置及配筋图、一榀框架详图、柱网布置及配筋图、楼梯结构布置图和详图、基础布置平面图及基础详图等。由于此前没有系统的用计算机绘制过施工图，因此在CAD2020的掌握上存在一定的难度。包括线型的选择、钢筋的摆放等都需要注意。

三、文献综述（或调研报告）：

结构方案是良好结构设计的重要前提。文献《高等钢筋混凝土结构学》3中提到:框架结构布置灵活，较容易满足建筑功能和生工艺的多种要求。同时，经过合理的设计，框架结构可以具有较好的延性和抗震性能。但是，框架结构承受水平力如风荷载和水平地震作用的能力较小，当层数较多或水平力较大时，水平位移比较大，在强烈地震作用下由于变形过大而引起非结构构件如填充墙的破坏。因此为了满足承载力和侧向刚度的要求，柱子的截面往往比较大，既耗费建筑材料，又减少使用面积。这就使框架结构的建筑高度受到一定的限制。

目前，框架结构一般用于多层建筑和不考虑抗震设防，层数较少的的高层建筑。比如，层数为10层或高度为30米以下多层框架结构的平面布置形式非常的灵活，文献《钢筋混凝土框架结构设计问题初探》中将框架结构按照承重方式的不同分为以下三类，即横向框架承重方案、纵向框架承重方案以及纵横向框架混合承重方案。历年震害资料表明：钢筋混凝土框架结构的柱端与节点的破坏较为严重其抗震设计中必须满足“强柱弱梁”“强剪弱弯”“强节点”“强底层柱底”等延性设计原则和有关规定。现有建筑物中，相当一部分建筑未考虑抗震设防，或者设防烈度偏低，但随着现在技术和水平的提高，通过对建筑的鉴定与加固，能在一定程度上改善这些建筑的抗震变形能力。

同济大学曾对钢筋混凝土结构进行反复水平荷载下的抗震研究，指出影响钢筋混凝土结构抗震性能的影响因素；他们还研究了钢筋混凝土结构柱与梁连接节点的抗震性能，并提出了此种节点形式的承载力实用公式。我国高层混凝土框架结构破坏的方式：①框架柱的压弯破坏剪切破坏弯曲裂缝；②框架梁的斜截面破坏正截面破坏锚固破坏；③板四角的斜裂缝和平行于梁的通长裂缝；④框架节点核芯区钢筋配置不当导致的破坏。

在《建筑结构设计》中，总结出混凝土框架结构设计手算步骤：1.确定结构方案与结构布置：①结构选型：是否选用框架结构应先进行比较，根据何广乾的模糊评判法。②平面布置。2.初步确定梁柱截面尺寸及材料强度等级：①柱截面初定。②梁截面初定。3.重力荷载计算：①屋面及楼面永久荷载标准值分别计算各层。②屋面及楼面可变荷载标准值。③梁柱墙门窗重力计算。④重力荷载代表值。4.框架侧移刚度计算：计算梁柱线刚度，计算各层D值，判断是否规则框架，分别计算框架纵横两个方向。5.计算自振周期。6.风荷载作用下弹性位移验算：对于框架结构应将所得的分布风荷载按静力等效的原则化为楼面处的集中荷载，以便于内力计算。由水平集中风荷载计算内力及位移（D值法），检查是否满足层间位移及顶点位移要求。如不满足，应返回修改梁柱截面尺寸强度等级。应分别计算纵横向框架内力位移。7.多遇地震作用下弹性位移验算，计算各质点水平地震作用。水平地震作用下位移验算。检查是否满足弹性位移限制。

在文献《OpenSEES在钢结构非线性分析中的应用》中介绍了OpenSEES (Open System for Earthquake Engineering Simulation)软件，它是由美国国家自然科学基金资助、太平洋地震工程研究中心主导、加州大学伯克利分校为主研发的非线性分析软件。除了可以进行结构静力线弹性分析、结构模态分析外，它还可以进行截面非线性分析、结构静力非线性分析、Pushover非线性拟动力分析、动力线弹性分析和复杂的动力非线性分析等模拟计算，还具有多点输入地震波记录的能力。

OpenSEES作为一款开源软件，可以根据使用者实际需要加入新单元类型，改进程序中材料本构关系，或者使用和设计比原程序更为高效的迭代方法等。同时，OpenSEES 软件采用了直接微分法，可以实现用于计算有限元动力响应对参数的影响的敏感性分析，该分析可用于结构的不确定动力响应分析、有限元模型更新、结构参数识别和结构优化等方面的研究。哈尔滨工业大学的李玲芳、南京航空航天大学的傅罗真、湖南大学的叶飞等人都曾经利用OpenSEES的上述优点展开关于结构地震响应的相关研究。

二、课题关键问题及难点：

本次毕业设计主要包括结构方案设计、结构分析、结构计算及绘制施工图四个步骤，重点在于结构设计与性能分析，其中关键问题和难点主要如下所示：

1.设计方法：建筑结构设计应根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载（效应）组合，并取各自的最不利组合进行设计。地基基础设计，必须坚持因地制宜、就地取材、保护环境和节约资源的原则，根据岩土工程勘测资料，综合考虑结构类型、材料情况与施工条件等因素，精心设计。

2.布置原则与抗震构造措施：钢筋混凝土多层框架结构房屋具有良好的抗震性能，结构设计中只要经过抗震计算并采取妥善的抗震构造措施，在一般烈度区建造多层框架房屋是可以保证安全的。设计时，遵循“三强三弱”原则，即强柱弱梁原则、强剪弱弯原则、强节点弱杆件原则。同时，满足结构抗震构造措施。要明确框架结构的抗震级数，采用规则结构以利于房屋抗震，按照“三统一”的原则，确定柱网尺寸，确定材料及截面尺寸，以及基础的选定。

3.抗震韧性有限元分析：本次设计在普通框架的基础上，会涉及到运用有限元软件进行建模和模拟分析，首先需要对OpenSEES进行系统的学习。OpenSEES (Open System for Earthquake Engineering Simulation)是由美国国家自然科学基金资助、太平洋地震工程研究中心主导、加州大学伯克利分校为主研发的非线性分析软件，是一款开源性的有限元软件，没有可视化建模界面，全部运用命令流操作。同时，软件包含多种本构关系及单元类型，如何正确选用并建模是一大难点。

4.施工图绘制：毕业设计一共要绘制至少8张施工图，包括屋面结构布置及配筋图、标准层结构布置及配筋图、一榀框架详图、柱网布置及配筋图、楼梯结构布置图和详图、基础布置平面图及基础详图等。由于此前没有系统的用计算机绘制过施工图，因此在CAD2020的掌握上存在一定的难度。包括线型的选择、钢筋的摆放等都需要注意。

四、方案（设计方案、或研究方案、研制方案）论证：

钢筋混凝土建筑中，框架结构是一种常用的结构形式，具有传力明确、结构布置灵活、抗震性和整体性好的优点，前已被广泛地应用于各类多层的工业与民用建筑中。钢筋混凝土框架结构是由楼板、梁、柱及基础几种承重构件组成的，由主梁、柱与基础构成平面框架，各平面框架再由连续梁连接起来而形成的空间结构体系。在合理的高度和层数的情况下，框架结构能够提供较大的建筑空间，其平面布置灵活，可适合多种工艺与使用功能的要求。

对于框架结构，在结构建筑特点方面：它是由钢筋混凝土梁、柱、节点及基础为主框，加上楼板、填充墙、屋盖所组成的结构形式，楼板和横梁连在一起，横梁和柱通过节点连为一体，形成承重结构，将荷载传至基础，力的传递路线比较明确。对于整个房屋全部采用这种结构形式的称为框架结构或纯框架结构。框架可以是等跨或不等跨的，也可以是层高相同或不完全相同的，有时因房屋布局和空间使用要求等原因，也可能要在某层抽柱或某跨抽梁，形成缺梁、缺柱的框架。墙体是填充墙，仅起围护和分隔作用，所以框架结构的最大特点是承重构件与围护构件有明确分工，建筑物的内外墙处理十分灵活，应用范围很广，因此能为建筑提供灵活的使用空间。

在结构受力性能方面：框架结构构件截面较小，因此框架结构的承载力和刚度都较低，它的受力特点类似于竖向悬臂剪切梁，楼层越高，水平位移越慢，高层框架在纵横两个方向都承受很大的水平力，所以框架结构属于柔性结构，自振周期较长，地震反应较小，经过合理的结构设计可以具有较好的延性性能。

钢筋混凝土框架结构的主要优点：空间分隔灵活，自重轻，节省材料；具有可以较灵活地配合建筑平面布置的优点，利于安排需要较大空间的建筑结构；框架结构的梁、柱构件易于标准化、定型化，便于采用装配整体式结构，以缩短施工工期；采用现浇混凝土框架时，结构的整体性、刚度较好，设计处理好也能达到较好的抗震效果，而且可以把梁或柱浇注成各种需要的截面形状。

钢筋混凝土框架结构的缺点为：框架节点应力集中显著；框架结构的侧向刚度小，属柔性结构框架，在强烈地震作用下，结构所产生水平位移较大，易造成严重的非结构性破坏，适用于非抗震设计；钢材和水泥用量较大，构件的总数量多，吊装次数多，接头工作量大，工序多，浪费人力，施工受季节、环境影响较大；不适宜建造高层建筑。

框架是由梁柱构成的杆系结构，其承载力和刚度都较低，特别是水平方向的（即使可以考虑现浇楼面与梁共同工作以提高楼面水平刚度，但也是有限的），它的受力特点类似于竖向悬臂剪切梁，其总体水平位移上大下小，但相对于各楼层而言，层间变形上小下大，设计时如何提高框架的抗侧刚度及控制好结构侧移为重要因素，对于钢筋混凝土框架，当高度大、层数相当多时，结构底部各层不但柱的轴力很大，而且梁和柱由水平荷载所产生的弯矩和整体的侧移亦显著增加，从而导致截面尺寸和配筋增大，对建筑平面布置和空间处理，就可能带来困难，影响建筑空间的合理使用，在材料消耗和造价方面，也趋于不合理，故一般适用于建造不超过15层的房屋。

进入当代社会，随着经济的快速发展，人们对办公楼的要求也越来越高，使得传统的木质、砖混结构的办公楼已不能满足现代办公的需求。而钢筋混凝土框架结构的出现则突破了这些局限性:一方面，框架结构以梁柱承重的特点使平面布置更加灵活； 另一方面，梁柱本身结构类型和布置位置也可以灵活选定，比如柱子可以选用L型、T 型、十字型等类型，如此可以使整个立面更加富于变化；再则，通过合理设计，框架结构可以做成延性框架，延性框架的抗震性能好，可承受较大侧向变形。因此，钢筋混凝土框架结构在多、高层办公楼中得到了广泛的使用。