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设置加强层的钢骨框架—核心筒结构抗震性能探析
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  • 用途:硕士毕业论文 Master Thesis
  • 编辑:若诗
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  • 论文编号:el2021081115304622676
  • 日期:2021-08-14
  • 来源:上海论文网
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本文是建筑学论文,经过研究,得出以下结论。(1)结构设置加强层,可以减小其自振周期。当设置斜腹杆桁架式或实腹梁式加强层时,结构自振周期的减小幅度比较明显。(2)不同结构形式的加强层对结构的扭转效应也会有影响。设置空腹杆桁架加强层会增大结构的扭转效应,设置实腹梁加强层和开口梁加强层会减小结构的扭转效应,设置斜腹杆桁架加强层对结构的扭转效应影响不大,(3)设置加强层可以减小结构的楼层位移,但加强层所在楼层的层间位移角及楼层剪力会发生明显突变。设置实腹梁加强层,结构楼层位移的减小幅度最大;设置空腹杆桁架加强层对结构楼层位移的影响不大,加强层所在楼层的层间位移角及楼层剪力不会发生较大的突变。静力弹塑性分析是基于性能的抗震设计理论中的代表性方法,该方法的优点在于:操作简单,不用输入多条地震波进行复杂计算,大大简化了弹塑性分析的过程;不仅能确定结构在罕遇地震作用下的变形特征,塑性铰的出现位置及顺序,结构中存在的薄弱部位及薄弱部位的变形,还能够对结构在多遇地震作用下的弹性设计进行校核。在计算过程中引入了结构的底部剪力—顶点位移曲线和标准加速度设计反应谱形成的需求谱曲线。采用结构的底部剪力—顶点位移曲线,来表征结构抵抗水平荷载的能力。
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1绪论

 

随着我国经济的发展,城市化进程断加快,越来越多的人开始走向城市。越来越多的人向城市聚集使得城市人口飞速增长,住房需求与日俱增,土地资源凸显匮乏。为节约土地资源,提高土地的利用率,解决人们的住房需求,发展高层建筑成为了一种必然趋势。发展高层建筑不仅可以节约城市的用地面积,解决城市用地紧张的问题,还可以使人口和资源相对集中。1885年,美国家庭生命保险大厦[1]的建成,标志着世界上第一栋高层建筑诞生。该建筑位于美国的芝加哥,总高55m,共10层,采用框架间的填充墙来增强侧向刚度,抗侧移能力很小。随着科学技术的不断发展和高层建筑结构设计理论及有限元理论的不断完善,高层建筑的结构设计水平和建造技术有了一个大幅度的发展,主要体现在以下几个方面:(1)在结构体系和建筑材料的选用上,逐渐趋于多样化。除了混凝土框架结构,混凝土框架—剪力墙结构体系外,钢骨框架—核心筒结构在高层建筑中的应用越来越广泛。(2)建筑物的层数和高度,不断突破历史新高,一些超高层建筑应运而生。(3)高层建筑的设计水平不断提高。计算机技术的发展和有限元软件的相继出现,使得高层建筑的抗震设计水平不断提高,在地震多发区建造高层建筑成为了可能,一些具有独特外形的建筑,开始出现在了大众的视野中。而动力弹塑性分析可以准确的反映出结构在强震作用下的弹塑性受力性能,但该方法耗时长,选取不同的地震波,结构的动力响应存在差别,往往不好把握。

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2地震作用的分析方法

 

2.1模态分析法
基于Ritz向量法的模态分析法是基于一组正交于结构质量矩阵和刚度矩阵的荷载相关向量进行计算的,它考虑了动力荷载的空间分布形式,在进行计算时,所求的特征值和特征向量都是与荷载相关的,避免了对结构精度没有帮助的振型参与计算,大大提高了求解效率和计算精度。在考虑相同计算振型数的前提下,使用基于Ritz向量法的模态分析可以得到更为精确的结果。因为使用该方法在进行计算时,不仅可以避免对结构精度没有帮助的振型参与计算,还能通过指定初始向量,来避免截断高阶振型带来的误差。框架—核心筒结构是高层建筑中最常用的一种结构体系,该结构体系中侧向刚度相对较大的核心筒是抗侧力的第一道防线,承担主要的水平作用;侧向刚度相对较小的框架是抗侧力的第二道防线,承担主要的竖向作用。当高层建筑的高度不断增大,核心筒的高宽比较大时,仅靠核心筒的抗侧刚度去抵抗水平荷载无法满足结构设计的要求,框架还可能先于核心筒发生破坏。若加大剪力墙的厚度或增大外围框架的截面,又不太经济合理且失去了该结构形式的优势,可以沿着建筑物的高度方向设置加强层来解决这一问题。设置加强层,可以增强结构的整体性,加强外围框架和内核心筒的连接,增大结构的抗侧刚度,减小结构在水平地震作用下的侧向变形。
建筑学论文格式
我国一些设置加强层的高层建筑

 

2.2反应谱分析法
反应谱分析法是一种拟动力分析,在进行计算时,先使用动力学方法来计算质点的地震响应,并使用统计的方法形成反应谱曲线;然后利用形成的加速度反应谱曲线,计算结构的最大惯性力,并将计算出的最大惯性力作为结构的等效地震荷载;最后使用静力学方法对结构进行分析。反应谱分析法考虑了整个时间范围内结构或构件的峰值响应,计算结果可以很方便的应用于结构设计,并且在进行计算时,不需要输入多条地震波。反应谱分析法本质上是一种拟动力分析,只能计算出结构动力响应的最大值,无法得到结构各个时刻的瞬态动力响应。时程分析不仅可以输出结构各个时刻的瞬态动力响应,还可以根据需要考虑各种非线性因素,例如:几何非线性、材料非线性及连接单元的非线性。时程分析分为线性时程分析和非线性时程分析。线性时程分析未考虑结构或构件的各种非线性因素,主要分析结构在线弹性范围内各个时刻的瞬态动力响应;非线性时程分析考虑了结构或构件的塑性发展情况,主要分析结构在弹塑性范围内各个时刻的瞬态动力响应。直接积分法又称为逐步积分法,是在各个时间点上对结构整体的动力平衡方程进行求解,省去了振型分解和振型叠加的过程。在线性时程分析中,使用模态积分法进行计算,只能采用解耦合的振型阻尼比,不能考虑不同振型间的耦合阻尼;使用直接积分法进行计算,可以考虑不同振型间的耦合阻尼。本章介绍了分析结构在地震作用下的动力响应所常用的三种方法,模态分析法,反应谱分析法及线性时程分析法。对这三种方法的基本理论,适用范围及计算核心进行了详细的叙述,为第三章,第四章的模态分析、反应谱分析及线性时程分析提供了理论基础。

 

3钢骨框架—核心筒结构的模态分析.......................................................................13
3.1有限元模型的建立............................................................................................13
3.2模态分析............................................................................................................16
3.3本章小结............................................................................................................22
4钢骨框架—核心筒的反应谱分析及时程分析.......................................................23
4.1反应谱分析........................................................................................................23
4.2线性时程分析....................................................................................................34
4.3本章小结............................................................................................................38
5钢骨框架-核心筒结构的静力弹塑性分析..............................................................40
5.1Pushover分析的基本原理................................................................................40
5.2结构抗震能力的评估方法................................................................................42
5.3pushover分析在YJK中的实现.......................................................................48
5.4pushover算例分析.............................................................................................49

 

5钢骨框架-核心筒结构的静力弹塑性分析

 

5.1Pushover分析的基本原理
随着人们对地震作用和结构动力特性的认识不断加深,结构的抗震设计理论也逐级趋于完善,从最初的静力理论阶段和反应谱理论阶段,发展到现在的动力理论阶段和基于性能的抗震设计理论阶段。基于性能的抗震设计理论要求工程师在进行抗震设计时,应针对不同的设防烈度、不同的场地条件,结合建筑物的重要性,采用不同的性能目标和抗震措施,使建筑物在不同水准的水平地震作用下,具备不同的抗震性能。为研究结构在预定水准地震作用下的性能,可以采用的方法有:底部剪力法,振型分解反应谱法,线性时程分析法,静力弹塑性分析法及动力弹塑性分析法,其中底部剪力法,振型分解反应谱法和线性时程分析法只能分析结构在多遇地震作用下的受力性能,无法反映结构在罕遇地震作用下的受力状态。将两条曲线绘制在同一坐标系内,若结构的底部剪力—顶点位移曲线与需求谱曲线有交点,则称此交点为结构的性能点,利用性能点可以得到结构在需求谱曲线表征的地震作用下结构的底部剪力和位移。提取出结构在性能点处的信息,将这些信息与事先定义的容许准则作对比,可以对结构的抗震性能做出评估。图5-1是结构的荷载—位移曲线,描述了在水平荷载的作用下,结构在不同阶段的变形,其中OA是结构的线弹性变形阶段,ABC是非线性变形阶段,CDE为失稳直至倒塌阶段。设置了斜腹杆桁架加强层的模型M2和设置了实腹梁加强层的模型M4,其抗侧能力曲线的斜率大于不设置加强层的模型M1,所以模型M2和模型M4的抗侧刚度要大于模型M1。模型M4抗侧能力曲线的斜率大于模型M2,所以模型M4的抗侧刚度大于模型M2。由此可知,结构设置加强层,可以增大结构的抗侧刚度,设置实腹梁加强层时,结构的抗侧刚度要大于设置斜腹杆桁架加强层时。对结构进行Y方向的推覆,抗侧能力曲线如图5-11所示。

 

5.2结构抗震能力的评估方法
对结构进pushover分析的目的就是评估结构的抗震性能,通过性能点处的位移和底部剪力来校核结构的弹塑性状态。但在求取性能点时,不能直接将结构的抗侧能力曲线与需求曲线放在同一坐标系内来求其交点。因为两条曲线的基准不一样。抗侧能力曲线的横坐标是位移,纵坐标是剪力;而需求曲线的横坐标谱位移,纵坐标为谱加速度。可以根据该限值来校核结构的弹塑性状态,对结构的抗震性能进行评估。基于第四章的分析结果,模型M2的楼层位移较模型M1减小,加强层所在楼层的层间位移角及楼层剪力的突变程度又介于模型M3和M4之间,是五个模型中性能较优的模型,所以选模型M2进行pushover分析,同时选模型M1和模型M4作为对比模型。使用YJK软件对不设置加强层的模型M1,设置斜腹杆桁架加强层的模型M2及设置实腹梁加强层的模型M4进行pushover分析,研究设置加强层的钢骨框架-核心筒结构在罕遇地震作用下的受力性能,根据塑性铰的出现顺序及分布情况,来揭示结构的屈服过程。本文使用YJK软件中的YJK—EP程序,进行pushover分析。利用该软件中的转换接口,将模型M1、模型M2及模型M4导入YJK软件,导入后的模型如图5-9所示,导入后先校核各构件的配筋、轴压比、剪跨比等信息,主要目的是判断设置加强层后,结构中各构件的强度是否满足要求,校核无误后进行pushover分析。采用YJK软件中提供的倒三角形加载方式,对结构进行X、Y两个方向的推覆。当顶点位移达到600mm之后,三条曲线的斜率变化平缓,说明结构中的大部分构件均已屈服,部分构件破坏退出。三个模型的推覆没有达到极值点,所以无法分析曲线在下降段时,结构的受力情况。
建筑学论文范文
X方向推覆时各模型的能力曲线

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6结论与展望

 

罕遇地震作用下,设置加强层能增大结构的抗侧刚度,但加强层的设置会使得剪力墙的受损严重,特别是结构底层和加强层所在楼层及相邻层处的剪力墙。本文以一个实际工程为例,研究设置不同结构形式加强层的结构抗震性能,仍然有一些问题需要研究:(1)在进行静力弹塑性分析时,只采用倒三角形的加载方式,未分析不同加载方式下,结构性能的差异。因此,要将两条曲线进行相应的转换处理。常见的处理方法有能力谱法和目标位移法。得到结构的能力谱和需求谱后,将两条曲线绘制在同一坐标系内,两条曲线的交点就是结构的性能点。我国的《高规》和《抗规》对结构弹性层间位移角及弹塑性层间位移角的限值也有相应的规定。(2)未考虑风荷载作用下结构的动力响应。能力曲线就是表征结构在侧向荷载作用下的变形,结构的抗侧刚度越大,曲线的斜率就越大。沿着房屋高度方向设置加强层,目的就是为增大结构的抗侧刚度。(3)在进行反应谱分析时,未考虑加强层对所在楼层上下楼板的影响。提取出结构性能点处的信息,通过这些信息对结构的抗震能力进行评估,判断结构的整体性能是否满足抗震的要求,是否能达到指定的性能目标。除此之外还应查看构件的局部变形,找出结构的薄弱部位。建筑物的性能目标,是根据建筑物的性能水准和抗震设计水准来确定的。不同国家对建筑物性能目标的检验标准是不一样的。在美国的ATC-40中,通常是根据结构最大层间位移角的限值,来检验结构是否满足性能目标的要求。
参考文献(略)