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次框架加设支撑对巨型框架建筑结构动力响应影响研究

时间:2018-01-18 18:23来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是建筑工程论文,本文提出在巨型框架次框架结构中加设支撑,这样不仅可以提高结构的抗震性能,还会降低造价,提高施工速度。在这种理念下,本文运用 ANSYS 有限元分析软件,
第 1 章 绪论
 
1.1 高层建筑的发展概况
随着社会的发展,城市化的进程,人口增加,城镇用房紧张,可用土地紧张,从而使得建筑物向高空发展,同时更多的高层建筑能够体现出一个城市的经济发展水平,20 世纪以后,越来越多的高层取代了多层建筑。19 世纪以前,由于技术落后,很难实现建设高层结构,这期间很多地方建筑仅以多层为主[1]。这期间是高层的形成期,有美国芝加哥 16 层 Monadnock 大楼,世界上第一栋高层建筑-----美国 11 层保险公司[2]和第一栋高层钢建筑——9层 Second Rand Merally 大楼。20 世纪 50 年代以后,随着社会的发展,施工技术得到了改进,很多高强轻质材料的出现,带动了高层建筑的发展,不再一味采取纯框架体系,这期间出现了很多合理的建筑体系,运用比较多的建筑体系有:剪力墙结构体系、筒体结构体系和巨型结构体系等一系列的新型建筑体系,使得结构的形式越来越多样化,也有越来越多的高层建筑被建造[3]。随着技术的进步,钢结构的完善,电梯的出现,施工技术的改进,越来越多的高层建造于世。例如,50 层的 Metrop Litann大楼,319m 的 Charysler 大厦,以及 381m 的帝国大厦(图 1-1)。二战结束后,土地价格越来越昂贵,平面结构理论的完善,以及轻质材料的出现,更多更高的高层被设计。1972 年,美国建成了高度达到 402m 的钢结构大楼——世界贸易中心(Twin Towers)、1996 年,在吉隆坡建造了一座高 450m共 88 层的石油大厦——钢与混凝土混合结构、2003 年,在我国台湾建成了闻名于世台北 101 大厦,该楼有 101 层,高 508m,首次突破 500m 高度。我国的高层发展主要是在解放后,这个时期出现了很多标志性高层建筑,如我国深圳建成的地王大厦,该楼有 81 层,高 325 米;1997 年在深圳建成了国内最高的钢筋混凝土结构——中天广场大厦,80 层,322 米;上海的金茂大厦,88层,高 420 米;上海的中心大厦,高 632 米,目前正在筹划中的湖南长沙的天空城市(图 1-2),高 838 米,如果建造成功,将是我国内地最高的建筑。70 年代前,我国的大部分建筑均是采用钢筋混凝土框架结构、剪力墙结构和框架——剪力墙结构[4]。
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1.2 巨型框架发展简介及概况
巨型框架结构是由大截面的巨型梁和巨型柱组成的一种较新型结构体系[6-8]。所谓巨型柱和巨型梁就是指该构件截面尺寸相比一般构件尺寸要大的多,巨型柱的布置比较单一,一般在建筑平面的四个角布置,巨型梁一般是每隔十层或十五层设一道巨型梁转换层,在巨型层之间再来布置次框架结构。巨型框架结构传力比较明确,主结构承担竖向荷载和自重荷载,同时承担主要的水平荷载,次结构主要承担自重荷载和楼面荷载。这种结构的整体性和稳定性相比普通框架结构要好的多[9-10]。巨型框架结构的侧向刚度比较大,且刚度沿高度方向分布比较均匀,由于该结构是由巨型梁和巨型柱构成所以其竖向和水平方向传力相对明确,是一种比较理想的抗侧力结构体系。该结构体系的抗侧力构件主要是巨型柱和巨型梁,次结构只是用来承担自身楼层的荷载并且能够有效消耗地震作用[12]。巨型结构体系的平面布置比较灵活,可以根据不同功能需求加以布置,这样的话可以通过改善结构的布置形式来抵抗地震作用,抗震效果好。但如果这样的话,势必会使结构的受力性能得到限制,在巨型结构中可以加设巨型转化层来达到灵活布置的目的[13]。
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第 2 章 有限元理论及结构模型的模态分析
 
2.1 ANSYS 简介
在土木工程领域,ANSYS 可以应用结构分析[39]。在运用 ANSYS 软件对建筑结构进行计算分析时为了了解所建有限元模型是否可行一般会先对结构的有限元模型进行模态分析,这样就可以得到结构模型的自振周期,从而可以判断有限元模型是否安全,ANSYS 程序还可以全面分析结构在外荷载作用下的受力、变形及动力特性,同时 ANSYS 程序对大型复杂结构的分析也是比较精确的[40]。ANSYS 软件的主要分析类型如下[41]:(1)结构静力分析对于结构静力分析方面,ANSYS 可以求得结构的内力、应变以及结构的位移。ANSYS 程序可以对研究对象进行线性分析,同时可以进行像塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析等等非线性研究。(2)结构动力学分析ANSYS 有限元软件可以分析结构的外荷载随时间变化对结构的影响。ANSYS 通常进行的结构动力学分析主要包括:瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析[42]。(3)结构非线性分析静态和瞬态非线性等非线性问题也可以用 ANSYS 有限元软件求解,包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种[43]。
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2.2 有限元法概述
结构离散化就是将研究对象离散为多个单元体,这些单元体拥有一个节点,这样原结构就可以用这个离散的单元组合体来代替从而进行研究[43]。单元个数的划分是直接影响模型的最后求解精度的,一般来说模型单元划分的越详细最后的计算就回越精确,但是如果结构模型过于庞大,单元划分有非常精细这样的话对计算机的配置要求会更高,计算速度也会变慢,一般划分单元时,一般会考虑到研究模型的大小、研究对象的实际情况同时也会根据计算机的容量的多个因素考虑。在对结构进行时程分析时,涉及到地震波的选择,在结构上加载不同的地震波结构的动力响应也是不一样的,因为不同的地震波,其性质是不一样的,即使记录的地震加速度一样,在对结构进行分析时,其结果也是大不相同。所以在时程分析过程中,运用的比较多的是典型地震记录。地震波作为外荷载加载到结构上的,在结构弹塑性设计时,地震波的选取尤为重要。选取地震波时,要结合建筑结构的特性、场地类别等条件[50]。
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第 3 章 原始结构与中心支撑结构模型在地震作用......31
3.1 原始结构模型在地震作用下的动力时程分析.........31
3.2 中心支撑结构模型在地震作用下的动力时程分析.........40
3.2.1 ELCENTRO 波的加载求解....40
3.2.2 Taft 波的加载求解...........43
3.2.3 南京波的加载求解..........46
3.2.4 三种不同地震波对结构的影响比较......49
3.3 本章小结.....50
第 4 章 耗能支撑结构模型在地震作用下的动力时程分析....51
4.1 K 形偏心支撑结构模型在地震作用下的动力时程分析.........51
4.2 防屈曲支撑结构模型在地震作用下的动力时程分析.....60
4.3 原始结构模型和加设不同支撑的结构模型的位移比较.........71
4.4 本章小结.....77
 
第 4 章 耗能支撑结构模型在地震作用下的动力时程分析
 
4.1 K 形偏心支撑结构模型在地震作用下的动力时程分析
由以上计算分析可知,该结构在不同加速度峰值的 ELCENTRO 波作用下结构的侧移曲线程有相同的变化趋势,位移随结构的高度增加而增大,最大位移发生在结构的顶层的边梁上,且随着加速度峰值的增加结构的最大位移也会增加。地震波加速度峰值为 140cm/s2作用下的最大位移是加速度峰值为 70cm/s2的 1.99倍;地震波加速度峰值为 400cm/s2作用下的最大位移是加速度峰值为 140cm/s2的 2.5 倍,是加速度峰值为 70cm/s2的 5.0 倍,在地震波加速度峰值为 400cm/s2作用下可能有局部构件破坏使得结构的抗侧刚度减小,从而结构的位移比地震波加速度峰值为 70cm/s2和地震波加速度峰值为 140cm/s2作用下明显变大。
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结论
 
本文通过 ANSYS 有限元分析软件,对未设支撑的巨型框架模型和分别加设X 形中心支撑、K 形偏心支撑和防屈曲支撑后的巨型框架模型,来模拟分析这三组模型分别在 ELCENTRO 波、Taft 波和南京波作用下的动力响应,得到如下结论:
(1)在加速度峰值为 400cm/s2的地震波作用下,三种模型都是以剪切为主的侧移曲线,且巨型框架巨型层 1、2 层部位的位移区别不大,3、4 层巨型层部位的位移区别明显。加设支撑模型位移明显小于原模型,加设支撑能够提高巨型框架结构的侧移刚度。因此,本文选择在结构的位移最大的巨型层(3、4 层)次框架加设支撑是正确的。
(2)对本文所研究的模型而言,次框架不加设支撑的巨型框架结构,在南京波作用下结构的水平位移要大于其他两个波的作用,在小震(峰值加速度值为70)作用下南京波引起的水平最大位移是 ELCENTRO 波的 1.7 倍,Taft 波的 2.5倍;中震(峰值加速度为 140cm/s2)作用下,是 ELCENTRO 波的 1.7 倍,Taft波的 2.4 倍;大震(峰值加速度为 400cm/s2)作用下是 ELCENTRO 波的 1.7 倍,Taft 波的 2.9 倍,由此可见,南京波为最不利地震波,设防时应加以重视。
(3)对本文所研究的模型而言,次框架加设 X 形中心支撑的巨型框架模型,在南京波作用下结构的水平位移要大于其他两个波的作用,在小震(峰值加速度值为 70)作用下南京波引起的水平最大位移是 ELCENTRO 波的 1.3 倍,Taft 波的 2 倍;中震(峰值加速度为 140cm/s2)作用下,是 ELCENTRO 波的 1.3 倍,Taft 波的 1.9 倍;大震(峰值加速度为 400cm/s2)作用下是 ELCENTRO 波的 1.2倍,Taft 波的 1.8 倍,对该模型,南京波为最不利地震波,设防时应加以重视。
(4)对本文所研究的模型而言,次框架加设 K 形偏心支撑的巨型框架模型,南京波引起结构的最大位移大于 ELCENTRO 波和 Taft 波,ELCENTRO 波引起的最大位移大于 Taft 波;南京波的最大位移分别是 ELCENTRO 波和 Taft 波的最大位移的 1.2 倍、1.99 倍,ELCENTRO 波引起的最大位移约为 Taft 波的最大位移的 1.6 倍。由此可见南京波为此结构的最不利地震波,设防时应着重注意。
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参考文献(略)
 
(责任编辑:工程论文)
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