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考虑构件抗扭刚度的高层建筑结构抗扭计算.pdf

考虑构件抗扭刚度的高层建筑结构抗扭计算

cdh1860
2011-10-24 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《考虑构件抗扭刚度的高层建筑结构抗扭计算pdf》,可适用于经济金融领域

考虑构件抗扭刚度的高层建筑结构抗扭计算!沈蒲生孟焕陵刘杨(湖南大学土木工程学院湖南长沙)摘要:结构刚度中心与质量中心偏差较大时应考虑扭转的不利影响将高层建筑结构等效为悬臂杆从顶至底依次选取脱离体。根据位移协调条件将结构的位移分解成平动与转动成分得到相应的结构平动时构件所承担的剪力与结构转动时构件所承担的剪力再根据力的平衡条件推导出双向地震作用下考虑构件抗扭刚度时结构的线弹性扭转角并对构件的剪力及变形进行了修正。算例表明考虑构件抗扭刚度时结构的线弹性扭转角、构件的剪力与变形均减小。该方法概念清楚符合工程实际。关键词:高层建筑构件刚度扭转性能中图分类号:TU文献标识码:A文章编号:()CalculationoftorsionperformanceoftallbuildingstructuresbasedontorsionstiffnessofelementsSHENPushengMENGHuaniingLIUYang(CoiiegeofCiviiEngineeringHunanUniversityChangshaChina)Abstract:ThedisadvantageouseffectshouidbeconsideredwhenthedefiectionbetweenthestructuraimasscenterandstiffnesscenterexistsThewhoiebuiidingcanbeeguivaienttoacantiieverbarandthestructuraitotaidispiacementscanbedividedintoparaiieidispiacementandrotationaidispiacementbasedontheharmonizeconditionofdispiacementandtheparaiieishearandtherotationaishearoftheeiementscanbeaccordingiyobtainedbyseiectingtherenegadebodyfromtoptobottominturnThestructuraiiineareiasticitytorsionangerconsideringthetorsionstiffnessoftheeiementscanbedetrudedunderthebidirectionaiearthguakeactiontheharmonizeconditionofforceandtheshearanddispiacementoftheeiementsiscorrectedItisshownthatthestructuraitorsionangersincreasetheshearandthedispiacementoftheeiementsdecreaseanditsconceptionissociearthattheresuitaccordwithengineeringpracticeKeywords:taiibuiidingstructuresstiffnessofeiementstorsionperformance地震时地面不但有平动而且有转动因此高层建筑结构在地震作用下不仅有平移还有绕刚度中心的扭转。当高层建筑结构平面布置时扭转效应更明显震害分析表明扭转是一个很重要的致坏因素[]。现行高规增加了对结构偏心扭转的限制对楼层竖向构件的最大水平位移与层间位移的比值以及结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一周期之比均有明确规定[]。近年来对结构扭转性能与构件的抗扭性能进行了许多研究。在构件方面张连德等[]分别对受扭构件进行过一系列试验研究对其抗扭性能进行了探讨建立了一系列强度相关方程。在结构抗扭方面刘大海等[]对高层建筑考虑扭转的抗震设计方法作了一般性介绍方鄂华等[]介绍了矩阵位移法与近似计算法来研究结构的扭转但均未涉及构件抗扭刚度讨论。其实结构整体扭转时构件第卷第期年月铁道科学与工程学报JOURNALOFRAILWAYSCIENCEANDENGINEERINGVolNoApr!收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目()作者简介:沈蒲生()男江西新淦人教授博士生导师从事混凝土结构基本理论及高层建筑结构分析与设计研究不可避免地参与抗扭故在结构抗扭分析中有必要计入构件抗扭刚度的贡献。在此将高层建筑结构等效为悬臂杆从顶至底依次选取脱离体根据力的平衡条件考虑构件抗扭刚度推导了双向地震作用下结构绕各层刚心的线弹性扭转角并对构件的剪力及变形进行了修正此外也给出了刚心的另一种计算方法用算例探讨了构架抗扭刚度对结构扭转性能的影响。l楼层质心、刚心及扭转偏心矩以楼层平面内任意点'为原点建立参考坐标系x''y'由文献[]可知第i楼层的质心和刚心其中质心坐标为x'm=!mJx'J!mJy'm=!mJy'J!mJ。(l)式中:mJ为同一楼层内第J个构件的质量x'Jy'J为第J个构件的重心坐标。根据结构体系的不同楼层刚心坐标应分为种情况进行计算(表l)。表l楼层质心坐标TablelEachfioorstiffnessdegradationcoefficients结构体系x'Dy'D备注框架结构!DyJx'J!DyJ!DxJy'J!DxJDyJDxJ分别为同一楼层内与y'或x'轴方向平行的第J根柱的抗侧刚度。剪力墙结构!IegyJx'J!Iegyj!IegxJy'J!IegxjIegyJDegxJ分别为同一楼层内与y'或x'轴方向平行的第J片剪力墙的等效抗弯刚度。框剪结构!VyJx'J!VyJ!VxJy'J!VxJVyJVxJ分别为同层内与y'或x'轴平行的第J个构件按协同工作原理计算后分配到的剪力。楼层扭转偏心矩即为楼层质心与刚心的距离x和y方向偏心矩的表达式为ex=x'mx'Dey=y'my'D。()楼层扭转角及侧移l楼层扭矩计算基于各楼板平面内刚度无穷大假定将承受任意外荷载的结构等效成悬臂杆件(图l)设I层的高层建筑结构第i楼层处的水平作用为Vi(i=l⋯I)且与x轴呈!角可将其分解成平行于x轴与y轴的作用VxiVyi:Vxi=Vicos!Vyi=Visin!。()单独分析第i楼层时将楼层偏心作用Vi平移至质心处则要附加一个楼层力矩T'i:T'i=VyiexiVxieyi。()以楼层刚心为原点O建立新坐标系xOy从顶至底选取脱离体(图)可得第i楼层总扭矩:Ti=!II=iT'I。()图l结构等效示意图FiglSketchofeguivaientstructure图结构楼层扭矩计算图FigSketchofstorytorsioncaicuiation楼层扭转角及侧移计算设第i楼层在单向偏心力Vyi作用下结构产生的层间扭转角为"i(以逆时针方向为正)为讨论方便以下省去下标i的书写。此时构件的总位移#y包含结构平动侧移#py(图)与绕刚度中心扭转产生的侧移#Wy(图)构件的最终剪力Vy亦为参与抵抗平动的剪力Vpy与参与抵抗扭转的剪力VWy的迭加即:#y=#py#Wy()Vy=VpyVWy。()铁道科学与工程学报年月图楼层水平侧移示意图FigSketchofstoryhorizontaIdistortion图楼层扭转侧移示意图FigSketchofstorytorsiondistortion根据几何关系可得!ryj=xj"!rxk=yk"。()于是结构扭转时构件产生的剪力为Vryj=(xj")DyjVrxk=(yk")Dxk。()根据扭矩平衡!T=外力矩应与结构扭转时构件产生的剪力对刚心的抵抗矩及各构件本身的抗扭抵抗矩之和相平衡即Vyex=[!(Vryj)!Vrxkyk)]!GIt("h)。()式中:G为混凝土的剪切模量取G=EE为混凝土的弹性模量GIt称为构件的弹性抗扭刚度Ir为截面的抗扭惯性矩[]。将式()代入式()可得结构层间扭转角:"=Vyex[!(Dyjxj)!(Dxkyk)]!(GIth)。()于是结构的抗扭刚度为:Kt=[!(Dyjxj)!(Dxkyk)]!(GIth)。()它综合考虑了构件的抗侧刚度与抗扭刚度的影响且能反映抗侧力构件的布置位置与楼层层高的影响。根据力平衡!Y=结构总剪力减去结构扭转时构件产生沿y向的剪力之和即得结构平动力:Vpy=Vy!Vryj。()于是结构平动侧移!py=Vpy!Dy。()将式()的Vryj代入式()再将其代入式()再与式()相加并注意到!Dyjxj=(由于原点O为刚心)可得构件的总位移:!yj=Vy!Dyxj"!xk=yk"。()同样可得构件的总剪力:Vyj=Dyj!DyVy(xj")!DyjVxk=(yk")!Dxk。()同理单向偏心力Vx作用下结构产生的层间转动角"xi(以逆时针方向为正)为:"x=Vxey[!(Dyjxj)!(Dxkyk)]!(GIth)。()构件总位移为:!yj=xj"x!xk=Vx!Dxkyk"x。()构件的总剪力为:Vyj=(xj"x)!DyjVxk=Dxk!DxVx(yk"x)!Dxk。()因此结构第i楼层在双向偏心力VxiVyi作用下结构第i楼层层间扭转角为:"i=VxjeyVyiex[!(Dyjxj)!(Dxkyk)]!(GIth)。()于是第i楼层扭转角为:""i=!ij="i。()构件总位移为:!yj=Vyj!Dyj("y"x)xj!xk=Vxk!Dxk("x"y)yk。()构件的总剪力为:Vyj=Dyj!DyjVy("y"x)xj!DyjVxk=Dxk!DxkVx("x"y)yk!Dxk。()第期沈蒲生等:考虑构件抗扭刚度的高层建筑结构抗扭计算算例某现浇楼板层空间框架平面结构简图如图所示结构特征值为底层层高m其余层层高m采用C混凝土。截面尺寸为横梁:mmXmm边柱Z:mmXmm中柱Z:mmXmm楼板mm。荷载条件:度设防二类场地第一组。活荷载kNm雪荷载kNm。图结构平面布置示意图FigStructuraipianofeveryfioor解:根据质心计算公式()在x'o'y'中各层的质心坐标为()单位。底层刚心坐标为()其他层刚心坐标为()于是底层偏心距ex=mey=m其他层偏心距ex=mey=m。结构转角计算见表角柱位移计算见表和表。表结构转角计算TableStructurairotateangiecaicuiation层数VikN层间转角!i(X)总转角!!i(X)表角柱位移计算TableDispiacementcaicuiationofcornercoiumn层数A柱B柱C柱平移侧移"pimm总转角!!i总位移"imm平移侧移"pimm总转角!!i总位移"imm平移侧移"pimm总转角!!i总位移"imm表中数据表明考虑构件抗扭刚度时构件的变形减小。限于篇幅结构的扭转角对比与构件的剪力对比暂未列出但同样可以得出考虑构件抗扭刚度时结构的转角与构件的剪力均减小。值得说明的是在线弹性范围构件抗扭刚度对构件总位移的影响较小但随着构件的开裂结构抗侧与抗扭刚度退化的不一致性抗扭刚度对构件总位移的影响会有所变化笔者将在下一步研究工作中展开讨论。结论将构件的总位移与总剪力分解为平动成分与转动成分推导了双向地震作用下考虑构件抗扭刚度时结构的线弹性扭转角。该方法概念清楚适用方便。考虑构件抗扭刚度时结构的线弹性扭转角、构件的剪力与变形均减小。参考文献:[]郭长城建筑结构振动计算[M]北京:中国建筑工业出版社GUOChangchengBuiidingstructuresvibration[M]Beijing:ChinaArchitectureBuiidingPress[]JBJ高层建筑混凝土结构技术规程[S]铁道科学与工程学报年月JBJTechnicaIspecificationforconcretestructuresoftaIIbuiIding(JGJ)[S][]张连德王泽军卫云亭钢筋混凝土偏压扭构件非线性全过程分析[J]建筑结构学报():ZHANGLiandeWANGZejunWEIYuntingNonIinearfuIIrangeanaIysisofreinforcedconcretemembersundereccentriccompressionandtorsion[J]JournaIofBuiIdingStructures():[]张连德陈为滢卫云亭低周反复扭矩作用下钢筋混凝土双向偏压构件抗扭性能的研究[J]土木工程学报():ZHANGLiandeCHENWeiyingWEIYuntingSeismicbehaviorofreinforcedconcretememberswithbiaxiaIeccentricIoadingunderreversedcycIictorsion[J]ChinaCiviIEngineeringJournaI():[]张国顺钢筋混凝土双向偏压构件抗扭性能的研究[D]西安:西安建筑科技大学ZHANGGuoshunTorsionaIstrengthofreinforcedconcretememberswithbiaxiaIeccentriccompression[D]Xi’an:Xi’anUniversityofArchitectureTechnoIogy[]赵嘉康张连德卫云亭钢筋混凝土压、弯、剪、扭构件受扭性能的研究[J]土木工程学报():ZHAOJiakangZHANGLiandeWEIYuntingTorsionaIstrengthofreinforcedconcretememberssubjectedtocompressionbendingshearandtorsion[J]ChinaCiviIEngineeringJournaI():[]秦卫红钢筋混凝土压、弯、剪构件在反复扭矩作用下抗扭性能的研究[D]西安:西安建筑科技大学OINWeihongTentativestudyonRCmemberssubjectedtobiaxiaIeccentriccompressionshearandtorsion[D]Xi’an:Xi’anUniversityofArchitectureTechnoIogy[]刘大海杨翠如钟锡根高层建筑抗震设计[M]北京:中国建筑工业出版社LIUDahaiYANGCuiruZHONGXigenTaIIbuiIdingaseismaticdesign[M]Beijing:ChinaArchitectureBuiIdingPress[]方鄂华钱嫁茹叶列平新编高层建筑结构(第二版)[M]北京:中国建筑工业出版社FANGEhuaOIANJiaruYELiepingTaIIbuiIdingstructures(secondedition)[M]Beijing:ChinaArchitectureBuiIdingPress[]沈蒲生一级注册结构工程师考试手册(上册)[M]北京:中国建筑工业出版社SHENPushengManuaIofexaminationforfirstregisteredstructureengineer(FirstPart)[M]Beijing:ChinaArchitectureBuiIdingPress第期沈蒲生等:考虑构件抗扭刚度的高层建筑结构抗扭计算考虑构件抗扭刚度的高层建筑结构抗扭计算作者:沈蒲生孟焕陵刘杨SHENPushengMENGHuanlingLIUYang作者单位:湖南大学,土木工程学院,湖南,长沙,刊名:铁道科学与工程学报英文刊名:JOURNALOFRAILWAYSCIENCEANDENGINEERING年卷(期):,()被引用次数:次参考文献(条)沈蒲生一级注册结构工程师考试手册方鄂华钱嫁茹叶列平新编高层建筑结构刘大海杨翠如钟锡根高层建筑抗震设计秦卫红钢筋混凝土压、弯、剪构件在反复扭矩作用下抗扭性能的研究学位论文赵嘉康张连德卫云亭钢筋混凝土压、弯、剪、扭构件受扭性能的研究()张国顺钢筋混凝土双向偏压构件抗扭性能的研究学位论文张连德陈为滢卫云亭低周反复扭矩作用下钢筋混凝土双向偏压构件抗扭性能的研究()张连德王泽军卫云亭钢筋混凝土偏压扭构件非线性全过程分析()JBJ高层建筑混凝土结构技术规程郭长城建筑结构振动计算引证文献(条)金恩平王秀丽扭转效应对空间结构抗震性能的影响期刊论文科学技术与工程()金恩平王秀丽吴长刚度分布对复杂结构体系抗震性能影响期刊论文低温建筑技术()费庆华高层建筑结构抗扭设计期刊论文建设科技()谢伟浅谈高层建筑结构中的抗扭设计期刊论文建筑设计管理()沈蒲生刘杨孟焕陵框架剪力墙结构扭转计算方法期刊论文重庆建筑大学学报()孟焕陵刘杨沈蒲生种手算框架结构侧移方法比较期刊论文铁道科学与工程学报()田雁新孟焕陵陈伯望基于优化原理框架结构梁柱合理线刚度比研究期刊论文铁道科学与工程学报()本文链接:http:dgwanfangdatacomcnPeriodicalcstdxyxbaspx

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