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设置斜柱转换层的框架—剪力墙结构抗震性能探究

销售价格: 150元/篇 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis 编辑:若诗 点击次数:
论文字数:58490 论文编号:el2021062409035522326 日期:2021-06-27 10:56 作者:上海论文网
本文是建筑学论文,通过对结构运用模态分析法进行分析,得到结构的振型特征;通过振型分解反应谱法得到结构在多遇地震下的层间剪力值、层间位移角值以及结构的层间刚度比数据;然后使用时程分析法对结构在罕遇地震下的性能进行分析,得到结构的顶点位移随着时间变化的曲线以及各个模型结构在不同地震波作用下的层间位移角;最后通过对结构使用非线性静力分析法,得到结构在静力推覆作用下的性能点数据以及结构模型的出铰顺序,通过对这些数据进行分析,得到以下结论:(1)在结构的自振周期方面:相对于模型一来说,模型二、模型三和模型四第一自振周期(X向平动)分别减少了1.74%、3.53%和5.52%,第二自振周期(Y向平动)是分别减少了0.57%、1.36%和9.49%,而第三自振周期(Z向扭转)则是分别减少了1.11%、1.24%和2.80%。得到结论:布置斜柱转换结构会降低结构的自振周期,且在斜柱倾斜方向上(X方向)结构周期值减小的幅度更为明显,在结构Y方向设置斜柱对结构周期值的影响要大于在结构X方向设置斜柱。模型一到模型四的周期比分别为0.74、0.74、0.76、0.76,差距不明显,说明此类斜柱转换结构的设置对结构的周期比影响不大。而这种实际的需要与规范所要求的结构布置合理性和自然性的要求则是大相径庭,通常来说,下部的楼层结构受到上部结构传递下来的荷载,所以下部结构应当尽可能做到刚度大,而这一要求可以通过布置较多的能够承受竖向力的柱和侧向力的墙体结构来满足,相对而言,结构上部受力小,所以,结构上部对于柱和墙体的数量要求会减少,但是为了满足人们对于建筑结构的此类功能的需求,结构的布置必须打破常规,对于结构上部,通过布置抗侧移能力强、刚度大的剪力墙结构来满足

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1绪论
 

为了满足人们的这些需求,越来越多的建筑开始大量使用转换层结构,其主要特点便是能将不同结构功能或不同使用功能的两个结构体系合二为一,以达到使得同一栋建筑物能够具有商场、娱乐、餐饮、酒店等一种乃至多种功能效果的目的,而为了满足这种多功能的需求,建筑物必须在其结构方面进行改变,而这种改变有时甚至会出现上部结构与下部结构大相径庭的情况。通常来说,带有转换层结构的建筑物,其上部结构最常见为小开间的轴线布置且同时布置较多的墙体,以此来用作酒店、旅馆、住宅,或者是酒店式公寓等进行使用,而中部结构通常则是需求略小一些的和中等大小的室内空间,此部分结构通常用作公司的一些办公室,或是小型的商场,或是展厅。下部结构则通常为公用部分,此部分结构对于大空间的需求较高,从对空间要求的角度来说,墙体结构的数量不宜多,同时从结构安全性的角度来说,柱网间距也不宜过大,用此部分作为大型的商场、超市、商铺等来使用。对于结构中间层部分,则可以采取框架柱和剪力墙相结合的布置方式;对于下部结构,通过采用竖向剪力墙落地和框架柱结合的方式,能有效的扩大空间。而为了实现这种结构的转变功能,必须在此类建筑物中设立结构转换层。如图1-1、1-2所示。框架—剪力墙结构通过剪力墙的设置,在满足结构的抗剪性能要求的基础上,可以尽可能的加大结构柱距,从而达到拓展结构空间的目的,因此目前被广泛使用。斜柱转换是当上部楼层与下部楼层在柱网、轴线等发生改变时,通过将柱按照一定的角度布置,从而将上部结构受力传到下部的转换形式,目前我国带转换层的结构大多数采用的均是梁式转换结构,但当转换梁以上层数较多时转换梁截面的尺寸会相应增大,一方面容易产生“强梁弱柱”的情况,另一方面对于建筑的采光通风等使用功能也有较大影响。因此,根据结构形式,采用其他受力合理的转换形式非常必要。
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2转换层结构类型及设计要求
 

2.1转换层的类型及其特点
当对带有转换层的建筑结构按照其结构功能的不同来分类时,一般可以将转换层结构分为以下三种类型:(1)当对建筑结构的上、下部分之间结构类型进行转换时,此时,转换层主要承担的是结构的力的传递作用,即将上部结构所承受的力通过转换层来传递给下部结构,通过此种转换方式来使下部结构能够拥有一个较大的空间。(2)当建筑结构上、下部分之间柱网和轴线同时产生变化时,这种情况下,从结构形式上来说,结构上部和结构下部并未有较大幅度的变化。此种转换形式通常用来扩大下部柱距,以便形成大柱网结构,(3)第三种转换结构从形式上来说是前两种的综合,即在同一栋结构中,同时实现对结构类型的转换和结构轴线位置的转换。当建筑物的上部结构和下部结构的跨度相差较大的情况下,此时,若再使用梁式转换或者厚板式转换的话,很明显已经不能解决相应的问题,在这种情况下,则可以采用箱式转换结构。箱式转换结构简图如图2-5所示,箱式转换结构和箱型基础很类似,也可以看做是由上下部较厚的楼板同时与单项托梁和双向托梁所共同组成的转换层结构。箱式转换结构在应用中应保证其相邻层楼板厚度不小于180mm。其主要优点在于具有很大的整体的空间刚度,对于空间需求较大的结构的转换和在结构承受较大荷载情况下的转换,箱型转换也能发挥很好的作用。但通常来说带有箱式转换结构的建筑物自重较大且对于材料的需求也会相应的增多,同时在计算设计时也会较为复杂。位于广东东莞的东莞大剧院即采用的是预应力箱式转换结构,如图2-4所示。

 

2.2转换层结构设计原则
在设置转换层方面有诸多规定,主要如下:(1)保证刚度转换结构所设置的位置可以在满足建筑结构功能需求以及建筑结构的力的传递路径的基础上,沿结构高度方向只布置一处,或者在结构的不同高度处同时布置,同时也可根据建筑功能的不同需求,在建筑结构的某一楼层的局部单独转换层。当进行局部布置时,因为只是局部用来作为转换层,所以在转换层未用作转换结构的其他部分可以用作其他功能来进行使用。(2)竖向结构落地当对某一带有转换层结构的建筑结构进行上部结构和下部结构布置时,应当尽可能使上部结构中的竖向结构能够直接落地,同时,在结构的水平方向应当注意结构的传力路径要清晰明确,在转换结构中,避免多级转换和复杂转换同时出现,对于传力路径较为复杂且对于结构的整体抗震性能有较大的影响的平厚板转换结构,应尽可能少使用或者不使用。(3)优化转换层当在建筑结构的平面上布置转换层结构时,应当做到与相邻层柱网统一综合考虑。在对结构进行抗震设计时,当因建筑功能所要求而不得不采用高位转换时,应当注意其必须满足强度以及刚度的需求且尽量使得结构整体贯通,竖向落地结构尽可能的多。(4)整体转换和局部转换通常来说,结构转换的形式可以分为整体转换和局部转换。整体转换就是结构某一层全部用来作为转换结构进行使用,而局部转换则是该建筑物的某一层的某一部分用作转换使用。相对于整体转换来说,尽管局部转换仍旧存在传力不直接、路径复杂的缺点,但由于楼层只是部分用作转换层使用,楼层刚度相对于整体转换来说变化并非特别的明显,故局部转换对建筑的抗震性能影响会小很多。
建筑学论文格式
带转换层的高层建筑立面图

 

3斜柱转换结构的模态分析..........................................14
3.1SAP2000有限元模型的建立........................................................................14
3.2模态分析方法................................................................................................17
3.3模态分析结果................................................................................................19
3.4本章小结........................................................................................................25
4斜柱转换结构的反应谱分析........................................26
4.1地震作用分析的方法....................................................................................26
4.2振型分解反应谱法基本理论........................................................................27
5斜柱转换结构的弹塑性时程分析....................................43
5.1时程分析法....................................................................................................43
5.2SAP2000有限元分析软件的时程分析方法................................................43

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6斜柱转换结构的非线性静力分析

 

6.1非线性静力分析
当使用振型分解反应谱法对结构模型在多遇地震情况下进行分析时,结构整体处于线弹性状态,从结构抗震角度来说,单纯的对建筑结构验算其弹性阶段性能是不全面的,还应当对结构的弹塑性阶段的变形进行分析,即非线性阶段的分析是十分有必要的。《抗规》提出了“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三个设防标准,结构处于线弹性工作阶段时,结构的承载能力验算,结构构件进入弹塑性工作阶段或者塑性工作阶段后结构的变形验算的两个阶段验算要求。SAP2000软件提供了两种非线性分析的方法,分别是非线性动力分析法和非线性静力分析法。非线性动力分析考虑了包括重力二阶效应在内的结构的非线性行为,同时也针对结构构件进入塑性阶段的性能进行了分析,但是在其计算过程中因为数据量的巨大的原因,其计算过程要进行反复多次的迭代运算,分析工作十分繁琐且其最终的运算结果会受到所选地震波以及结构构件的应力应变曲线的影响.在SAP2000软件中对于非线性静力分析所用的主要方法为Push-Over分析法,当结构的基本自振周期在2S以内时,使用非线性静力分析法能够很好的对结构整体变形和局部変形进行估计,对于结构中存在的设计隐患也能有很好的揭示作用。无论结构采用是何种转换形式均是各有利弊。相对来说,整体转换缺点更为明显,由于转换层的存在,强行将建筑物分为两个部分,导致上部结构和下部结构之间的传力路径不直接,无论如何进行设计弥补,上部结构和下部结构刚度均会发生突变,进而会导致结构抗震性能差,在地震力的作用下容易形成薄弱层。
建筑学论文范文
河南金融广场

 

6.2非线性静力分析结果
柱铰破坏表现为结构进入弹塑性阶段后柱端首先出现塑性铰,此时结构梁仍处于弹性状态,可能会造成某一层柱形成侧移,使结构整体达到承载能力极限状态。结合《抗规》可中的“强柱弱梁”可知:对于框架结构应使梁端先出现塑性铰,梁铰转动能够耗散大量的地震能量。使用SAP2000有限元分析软件对已建立的四个模型分别进行静力推覆分析(NonlinearStaticPushoverAnalysis),对各个模型选取其①号轴线平面上塑性铰发展过程进行分析。各个模型的塑性铰图见6-6。通过对上图的对比可知:斜柱布置方式不同的各个模型塑性铰出现的位置和时间基本保持一致,但其破坏形态各有差异。对于模型一而言,塑性铰首先在第4层到第6层的梁上,接着向上部延伸到顶层,外侧的柱也开始出现塑性铰,最后,在结构的底部柱上出现塑性铰,结构发生破坏,分析停止。对于模型二而言,塑性铰首先出现在第2层到第6层的梁上,同时上部结构梁端也出现塑性铰,然后塑性铰开始延伸到结构顶部,最后结构下部柱出现塑性铰,结构发生破坏,分析停止。模型三首先在第4到第6层的梁上最先出现塑性铰,然后塑性铰向上延伸到顶层,最后结构底部柱上出现塑性铰,结构发生破坏。模型四首先在结构的2层和第4层的梁上出现塑性铰,然后塑性铰向上延伸到顶层,结构外侧的柱和梁相继出现塑性铰,最后结构底部的柱出现塑性铰,结构发生破坏。综上所述,在四个结构的模型静力推覆分析中,模型最先产生塑性铰的部位均是靠近转换层,最后在结构底部的柱上出现塑性铰,结构发生破坏。

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结论与展望

 

斜柱转换结构的设置对与结构在转换层处的层间位移角有影响,具体为:当仅在X轴负方向设置斜柱转换结构时,结构在X方向的层间位移角减少了2.75%,而在X轴正负方向均设置斜柱转换结构时候,结构在X方向的层间位移角减少了7.16%,说明在X方向设置斜柱转换结构时,结构的X方向层间位移角逐渐减小,且其减少的幅度越来越大。若在此结构中使用斜柱转换不但能有效地拓展空间,同时由于斜柱的使用,也能赋予建筑物外观更多的新颖性。但与之相应的问题也会随之而来,若在此种结构中使用斜柱结构转换层,其受力性能会受到影响进而带来一系列问题,例如,不规则扭转、转换层处剪力值突变以及在转换层由于截面的变化而可能会出现应力集中等问题。但在X轴负方向布置斜柱转换结构的模型二结构上部结构的梁上出现塑性铰的时机过早,这对于整体结构的抗震性能是不利的,因此在设计中应尽量避免。模型三的出铰顺序和最终出铰结果比较丰满,为最优结构。所以对于在框架—剪力墙结构中使用斜柱结构转换层的研究是十分有必要的。当仅在X轴负方向设置斜柱转换结构时,结构Y方向的层间位移角增大了4.96%,当在X轴正负方向均设置斜柱转换结构时,结构Y方向的层间位移角减小了4.96%,而当在X轴正负方向和Y轴正负方向均设置斜柱转换结构时,结构在Y方向的层间位移角增大了4.41%。
参考文献(略)
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