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高层框剪结构不同楼梯结构形式的土木工程抗震性能分析与设计

时间:2018-01-18 18:23来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是土木工程论文,本文通过 Midas -gen创建三种框架剪力墙结构模型,即不建入楼梯构件但是施加楼梯荷载的无楼梯模型、现浇整体板式楼梯模型以及上下梯段板下端设置滑动支座。
第一章 绪论
 
1.1 引言
地震灾害是较为普遍的自然灾害,地球时刻发生着不同强弱程度的地震活动,绝大多数的地震活动强度较小,正常情况下人们很难察觉到,因为这些地震活动发生在深处,比如低于地壳深部或者海底等地方。然而一旦发生强烈地震,那么通常给人类带来的经济损失与人员伤亡将是难以预估的。欧亚地震带和环太平洋地震带是全球两大地震带,而中国则处在这两大地震带的交叉点,由于菲律宾海板块、印度板块以及太平洋板块的相对运动,导致地震断裂带出现较为活跃的挤压,我国之所以经常发生地震活动,正是因为这个地理位置所决定的。在汶川地震中,人们在心灵上遭受的伤害以及人员伤亡和经济损失都是无法估量的。很多建筑物的楼梯在地震中损坏特别严重,比如楼梯间的填充墙发生倒塌、角柱出现断裂以及楼梯梯段板折断等等[1]。对于各种建筑结构,当地震发生时框架结构的楼梯发生的破坏最为严重,破坏程度同纯框架结构相比,框架剪力墙结构的建筑物楼梯损坏明显减小,但是并不少见;正是因为框剪结构中剪力墙的存在让结构刚度增大,从而减小了框剪结构中的层间位移,进而才会使得框剪结构建筑物中的楼梯破坏程度减轻[2]。保证人民生命财产安全是对建筑结构进行抗震设计最主要的目的,地震发生时楼梯能够作为建筑物中的“安全岛”,便于人们疏散逃离。对于各种结构类型的建筑物,不管是纯框架结构还是框剪结构或者其他结构,都不能使楼梯在建筑物中最早出现破坏情况。地震发生时如何应对框架结构建筑物楼梯的破坏,目前很对研究者已经进行了研究,但是对于地震作用下如何应对高层框架剪力墙结构中的楼梯损坏,目前研究者们并没有进行充分的研究,对于有关这一类的文献很难查阅;本论文研究的主要内容就是确定如何将楼梯间设计成框架—剪力墙—楼梯这个整体体系中的“安全岛”。
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1.2 研究背景和意义
人类在地震中所遭受心灵上的伤害以及人身伤亡和经济损失都是难以预估的,自从二十一世纪以来,我国遭受了大大小小的地震灾害,损失惨重,比如 2008 年约 9 万人在四川汶川大地震中遇难,造成近 8451 亿元的经济损失;2010 年发生的青海玉树大地震,导致2220人罹难,还有70 人生死不明;2013年发生的四川雅安地震,导致196人遇难,至少200万人遭遇灾害。汶川地震发生之后,很多研究者分析了地震作用下楼梯的破坏情况,发现我们之前对楼梯的分析设计是存在问题的,即采用分离式设计方法,也就是说在创建结构计算模型时并没有建入楼梯,仅仅把楼梯等效的竖向荷载施加在结构上,同时创建楼梯的计算模型时忽略了竖向体系产生的变形。事实上楼梯和竖向结构体系一定是协同工作的,属于一个整体体系。所以这种分离式设计方法计算的结构内力并不符合结构实际受力。在2010年12月1日开始实施的《建筑抗震设计规范》[3]和《高层建筑混凝土结构技术规程》[4]中对楼梯的计算设计提出了具体的要求。《高规》[4](JGJ3-2010)6.1.4条规定:1.布置楼梯间时尽可能避免楼梯间的存在导致结构平面不规则。2.结构设计时楼梯应采用钢筋混凝土现浇楼梯,楼梯结构应该具备充分的抗倒塌能力。3.应采用有效措施减弱楼梯对建筑主体结构的作用。4.当主体结构和楼梯连为一体时,不可忽略地震效应与其作用受到楼梯结构的影响,同时验算楼梯结构的抗震承载力。
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第二章 结构的抗震计算方法
 
2.1 静力理论与计算方法
20 世纪初就已经建立了抗震计算理论,而静力理论最早是由日本提出,日本研究者大森房吉在 1990 年提出该理论,结构之所以会在地震下发生破坏,那是因为结构承受了水平地震力[19]。结构可看作理想刚体,造成结构发生破坏的因素仅有一个,即地震加速度,忽略地震分组、场地类别、阻尼比、自振周期以及设防烈度等因素,只当建筑物高度较低以及刚度较大时才可运用。
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2.2 弹塑性时程分析
 
2.2.1 弹塑性时程分析基本原理
强烈地震发生时,把记录下来的地震波进行划分,分成很多相等同时十分小的部分,接着根据运动方程,利用积分方式进行计算,求得在地震下结构振动的所有过程,以及结构的每个物理量,包括位移、加速度以及速度等。同时求出结构的地震反应,包括变形及内力。于是我们能够得到在地震全过程中,结构构件由弹性到弹塑性的位移及内力变化,而且还可以得到结构薄弱部位以及出现塑性铰的先后次序,从而对抗震性能进行评价。这种方法不仅要考虑结构变形与强度,而且还需考虑地震动特性。对结构进行弹塑性分析之后,地震下结构的弹塑性反应能够被准确的加以判断,这是性能化抗震设计十分关键的一步。故该方法的工程意义是巨大的[20]。当运用这种方法分析结构时,通常它的研究步骤主要如下:(1)通过获取建筑物所在场地的设防烈度和特征周期等因素,我们来选择不少于 3条不同的具有代表性的强震记录地震波曲线,其中包括 1 条人工波和不少于 2 条天然波,用于进行弹塑性时程分析;(2)根据研究对象所处空间的受力状况以及计算机的配置等多种情况,建模并合理地施加外界受力的因素;(3)依据结构所处的抗震区域,在地震作用下查找或建立合适的弹塑性微分方程;(4)选择并根据实际条件建立合理的积分方程,并带入相关参数,由此得出结构在各个时刻的加速度、速度及位移等数值,得到结构在地震作用下自身受到影响的全部过程;(5)求出结构层间位移角,对比规范中的容许限值,从而判断是否合理。
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第 3 章 建立计算模型
3.1 工程概况......21
3.2 材料......24
3.2.1 主要构件混凝土强度等级........24
3.2.2 钢筋....24
3.3 设计荷载......25
3.4 MIDAS-Gen 有限元软件概述....28
3.5 结构模型及单元........30
3.6 本章小结......38
第 4 章 基于 Midas -gen的振型分解反应谱分析
4.1 模态分析参数设置......39
4.2 振型分析....39
4.3 自振周期分析......44
4.4 地震作用下结构各层剪力对比..........46
4.5 层间位移对比分析......49
4.6 楼梯间框架柱内力对比分析....52
4.7 梯段板内力对比分析........59
4.8 本章小结......62
第 5 章 基于 Midas -gen的弹塑性时程分析
5.1 概述......63
5.2 地震波的选择.......63
5.3 三种模型 Y 向时程分析结果.....65
5.4 三种模型 X 向时程分析结果.....71
5.5 本章小结......73
 
第五章 基于 Midas -gen的弹塑性时程分析
 
5.1 概述
时程分析法可以计算出任何时刻结构及其构件的地震反应,包括变形与内力,这是与振型分解反应谱法及底部剪力法的最大不同。其往往用来对重要抗震设计与高层建筑结构进行补充计算,弥补反应谱分析法的不足,对结构进行弹塑性分析是反应谱分析法所不能进行的,其主要目的是对反应谱分析结果进行验算。时程分析法具有如下主要的功能:1.对反应谱分析法计算结构位移及内力时产生的误差进行校核。2.对结构进行弹塑性分析,计算地震反应,检验在大震下结构的内力及变形。3.在地震作用下能够计算出任何时刻结构及其构件的地震反应。频谱特性包括多种因素,其中有峰值、卓越周期以及谱形状,我们能够利用地震影响系数曲线来对此表示,同时也能够利用预建建筑所处场地的设计地震分组及场地类别来确定。根据国内外相关研究,当结构基本自振周期与场地特征周期相近或者大小相等时,便将很可能发生共振情况。一旦出现这种情况,那么建筑物必将受到更为严重的破坏[48]。所以对结构进行抗震分析时,应该尽可能保证所选地震波频谱特性和待建场地一致。
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结论
 
本文通过 Midas-gen 创建了三种模型,分别为不建入楼梯构件但是施加楼梯荷载的无楼梯模型 A、现浇整体板式楼梯模型 B 以及梯段板下端设置滑动支座的板式楼梯模型 C。利用振型分解反应谱法和弹塑性时程分析法,在多遇地震和罕遇地震下对三个模型的自振动力特性、结构构件内力变化以及地震反应等抗震性能进行分析,分别对这三个模型的振型顺序、自振周期、地震作用下结构各层剪力、层间位移、楼梯间构件内力、最大层间位移角、最大基底剪力以及顶层位移和加速度时程曲线峰值的平均值等进行比较,得到在对结构进行分析设计时,考虑梯板下端增设滑动支座这种整体设计方法具有优越性。主要分析结论如下:
(1)三个模型的质量参与系数累计均超过了 90%,满足《高规》[4]第 5 .1.13条规定,参与振型数足够。模型 B 与模型 A 相比,其自振周期减小十分明显,在 Y 方向由于楼梯产生了“K ”形斜向支撑的作用,使得结构在 Y 方向的刚度变大,以致大于 X 方向的刚度,从而导致振型顺序发生改变;模型 C 与模型 A 相比,其自振周期减小并不明显,且振型顺序没有改变。
(2)对于地震作用下结构各层剪力,模型 B 与模型 A 相比,因为模型 B 采用板式楼梯与主体结构整体现浇,增大了结构刚度,明显影响了结构各层剪力,在 X 向和 Y 向层剪力均有显著增大;模型 C 与模型 A 相比,由于滑动支座的存在减弱了梯板与主体结构间的相互作用,在 X 向和 Y 向层剪力仅有小幅度增大。
(3)对于层间位移,模型 B、模型 C 与模型 A 相比,X 方向层间位移未产生较大改变,因为在垂直于梯板方向梯板起到了剪力墙的作用。由于楼梯梯板发挥了“K ”形斜向支撑的作用,所以 Y 向的层间位移变化较 X 向更加明显,模型 B 与模型 A 相比,层间位移减小非常明显;模型 C 与模型 A 相比,层间位移仅有很少的减小。
(4)通过对比楼梯间框架柱的内力图能够看出,在对结构进行设计时,若采用板式楼梯与主体结构整体现浇这种整体设计思路,那么楼梯间周边构件的受力较不建入楼梯构件计算明显增大,设计时需增大构件截面或者增加配筋等;若采用楼梯梯板下端设置滑动支座这种整体设计思路,那么楼梯间周边构件的受力与不建入楼梯构件计算大致吻合。
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参考文献(略)
 
(责任编辑:工程论文)
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