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地铁车辆段大平台结构—上部住宅减震系统研究(可编辑)地铁车辆段大平台结构—上部住宅减震系统研究(可编辑) 地铁车辆段大平台结构—上部住宅减震系统研究 北京工业大学 硕士学位论文 地铁车辆段大平台结构?上部住宅减震系统研究 姓名:吴丽波 申请学位级别:硕士 专业:结构工程 指导教师:阎维明 2003.6.1地铁车辆段大平台结构一上部住宅减震系统研究 摘 要 本文通过理论分析和数值模拟,对设有减震层的地铁车辆段大平台结构一上 部 住宅减震系统进行了研究。 本文阐述了这类减震系统与控制系统和基础隔震系统的联系与区别,并根 据其特点,将减震层上部和...

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地铁车辆段大平台结构—上部住宅减震系统研究(可编辑) 地铁车辆段大平台结构—上部住宅减震系统研究 北京工业大学 硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 地铁车辆段大平台结构?上部住宅减震系统研究 姓名:吴丽波 申请学位级别:硕士 专业:结构工程 指导教师:阎维明 2003.6.1地铁车辆段大平台结构一上部住宅减震系统研究 摘 要 本文通过理论 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和数值模拟,对设有减震层的地铁车辆段大平台结构一上 部 住宅减震系统进行了研究。 本文阐述了这类减震系统与控制系统和基础隔震系统的联系与区别,并根 据其特点,将减震层上部和下部结构均简化为单自由度体系,从而使之化为 两自由度 不考虑减震层质量和三自由度考虑减震层质量的上一下部结构减震系统。通 过理论推导,给出了能够初步估计减震层力学参数的简单 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。研究表明, 通过选择 适当的减震层的力学参数,可以同时有效地减轻上一下部结构或者地铁车辆段大平台 结构和上部住宅的地震反应。 借助于.有限元分析软件,本文还对设置和未设置减震层的北京八王 坟地铁车辆段大平台结构一上部住宅系统进行了有限元建模,并对这两个系统的模态 和三维地震动作用下的非线性地震反应进行了大量的计算分析,对比了对应于条地 震波的度小震、中震和大震情况下减震体系和非减震体系的层间剪力和层间位移等 反应。结果表明,在大平台结构和上部住宅之间设置橡胶垫减震层,对大平台结构和 减震层之上的九层住宅均有较为明显的减震效果,达到了预期的目的。值得注意的是, 未设置减震层的七层住宅的地震反应略有增大,但仍在允许的范围之内。通过本文提 出的简单方法进行分析得知,该减震层的力学参数大体上是合理的。 关键词:地铁大平台结构,非线性,减震系统,三维地震动丝壁至塑垦查鱼堕塑二圭塑堡圭堕垂墨篓堡窒 一。 , 吼 .,, , .也?? ’ . 诧 , , , . . 免 ’,“ 巧.. 衄 . . 行 艉 , . ?“ 、 、、生? : 地铁车辆段大平台结构一上部住宅减震系统研究 论 第一章 绪 ?.概述 随着我国社会和经济的迅速发展,城市建筑用地日趋紧张,人们对建筑物的 安全 性、适用性和经济性要求也越来越高。为了高效率地利用有限的建筑用地,延长结构 的使用寿命,改善结构的抗灾减灾能力,提高经济效益和社会效益,如何对原有建筑 物进行增层改造乃至在原有结构上建造新的建筑结构已成为一个迫切需要研究和解 决的重要课题。 房屋增层后,房屋的高度随之增大,与增层前相比,重心升高,振幅加大,自振 周期也增长,易遭破坏,因此从抗震角度而言增层通常是不利的。地震设防区建筑物 增层时,必须考虑建筑物的场地、结构、材料等抗震因素【,采取必要的抗震加固措 施,否则将留下严重的安全隐患。如年,河北煤矿设计院办公楼由层增加至 层,由于未考虑抗震要求,当年唐山地震时,加高的层全部展塌,下部层严重 不裂,造成很大的经济损失。对于低层框架结构,目前常用的加固加层方法有旧,? 将原框架结构体系改造成框架一抗震墙结构体系,通过增设的抗震墙来保证地震作用 下的强度与位移要求。此种方法的优点是结构体系受力明确,避免加固所有梁柱,其 不足是加固梁柱结点及箍筋加密区的施工技术要求较高。虽然可采用碳纤维加高强度 胶外贴加固,但价格昂贵。此外,施工期间对内部的正常使用影响较大;?将原框 架结构改造成砖混结构,通过合理布置承重砖墙来抵抗地震作用,原框架柱变为构造 柱,原框架梁变为构造圈梁或连梁。此种方法的优点是原梁柱无需加固,施工简单, 便于操作,不足是改造工程量很大,施工期间内部无法使用:?通过外套框架进行 结构加层,新结构与原框架脱开,原有结构按单体鉴定并进行加固,新加外包框架对 原有框架无约束和加固作用,是两个互不相关的框架结构。此种方法的优点是新老框 架相互脱开.连结处理简单,加层施工方便,不足是加层部分要做大跨度楼盖,首层 层高大,外套部分重心高,造价大,而原有框架仍需采用前两种方法加固;?通过外 套框架进行结构加层,但外包结构与原框架连成整体,调整新建结构的抗侧力刚度, 限制原框架的水平位移,使其小于原框架在度地震作用下计算时的位移,从而达到地铁车辆段大平台结构一上部住宅减震系统研究 一???????????????????????????????????????????????????????????????? 一 对原框架不必进行抗震加固的目的。该方法能够保证施工期间内部的正常使用,但需 要注意新老框架强度、刚度和延性等的协调匹配。 上述方法表现在房屋加层过程中,有的是加大梁柱截面和配筋,增加结构物的刚 度,有的是加强节点构造,增加结构物的延性,有的是在房屋某些层增加抗震剪力墙, 甚至不惜改动原有结构布置来解决抗震问题。尽管这些方法能达到目的,但需要较多 的经费并影响建筑物的美观,同时加层施工会影响人们的正常生活,因此都难于满足 现代化社会对地震工程学提出越来越高的要求。 结构振动控制理论和技术是世纪年代我国是年代逐步发展起来的 一门新兴学科分支,不仅适合于新建建筑,也适合于既有结构的抗震加固改造。如人 们利用原理?对原结构进行增层,通过增层部分的吸能和耗能作用来减轻原结 构的地震反应。随着结构振动控制理论和技术的不断发展,它必将在结构抗震振 没计和加固改造中发挥越来越重要的作用,成为当代地震工程发展的主流之一。 本文将应用加层减震的原理,通过理论分析和有限元计算,探讨地铁车辆段 大平 台上新建住宅的减震层设计参数确定和减震效果的问题。 ?.结构减震控制技术的优越性 近二十多年来,在众多专家学者和工程师的不断探索和研究下,我国建筑结构抗 震技术不断发展。目前我国已兴建的绝大部分建筑物都进行了抗震设计,对原没有采 用抗震设计的建筑物也进行了抗震加固处理?,建筑结构的安全性得到了很大的提 高。但是随着社会的发展,人们对建筑物抗震设计的安全性和适用性提出了更为严格 的要求,特别是工业向高精度技术发展,采用传统的工程抗震设计方法有时不能适应 工程的实际需要,因此产生了结构减震控制技术。建筑物通过采取结构减震控制措施 后,结构的安全性和适用性都得到了很大的提高。 ?.。传统结构体系及抗震方法 传统的结构抗震对策大体可划分为四类【,图.:第一,大大增加结构的刚 度,即做成附眭结构体系,这种体系的结构地震反应接近地面地震反应,但在很多情 况,这样做是很不经济的,较难实现的;第二,大大减少结构物的刚度,即做成柔 性结构体系,这样虽然能有效减少结构各部分的加速度反应,减少地震荷载,但建筑地铁车辆段太平台结构一上部住宅减震系统研究 物位移过大,使建筑装饰等构配件严重破坏,并且在风荷载或轻微地震作用下结构刚 度不足,影响正常使用,故这种做法在很多情况下是不现实的;第三,适当控制结构 物的刚度,但使结构构件如梁、柱、墙、节点等在地震时进入非弹性状态,并且 具有较大的延性,以消耗地震能量,减轻地震反应,使结构物“裂而不倒”,这就是延 性结构体系,是目前世界各国包括我国普遍采用的抗震方法。这种方法也存在很 多局限性:?不适合于某些重要的结构物如纪念性建筑、装饰昂贵的现代化建筑、 装有精密仪器的实验室等等。?对于一般性的建筑,当遭遇超过设计地震烈度的地 震时,主体结构非弹性变形的严重化,震后难于修复,或在地震中严重破坏甚至倒 塌,其震害程度难于控制。?基本上还是一种“硬抗”的策略,难以脱离“刚度越大 地震作用越大”的恶性循环。?据此设计的结构不能保证室内人员的安全,因为它以 即定的“设防烈度”作为设计依据,当发生超大烈度地震时,结构仍可能会发生倒塌。 ?该对策的经济性欠佳,因为它主要通过多加配筋、增大截面来抵抗地震,其建筑造 价的增加幅度较大按、和度设防时,造价约增加%~%、%~%和%~%: 第四,保证上部结构的刚度,但把结构的底层柔化,地震时使之进入非弹性状态,形 成延性柔软层,即柔软底层结构体系。震害经验表明,这种结构体系在很多情况下是 失败的。 且虽且盟 ???? ???每 ?????》 ?????幽 传统抗震结构体系 ?..工程结构减震控制方法 随着社会的发展,对建筑物抗震设计的安全性和适用性提出了更为严格的要求, 特别是工业向高精度技术发展,采用传统的工程抗震设计方法有时不能适应工程的实 际需要;所以一种即经济安全,又适用的新的结构抗震体系??结构减震控制体系就 应运而生了。 工程结构减震控制,是指在工程结构的特定部位,装设某种装置如隔震垫等,地铁车辆段大平台结构一上部住宅减震系统研究 一 一????????????????????????????????????????????????????????? ‘?????????????~??????一 或某种结构如消能支撑;消能剪力墙:消能节点;消能器等,或某种子结构如 调频质量等,或施加外力外部能量输入,以改变或调整结构的动力特性或动力作 用。这种使工程结构在地震或风作用下的动力反应加速度、速度、位移得到 合理的控制,确保结构本身及结构中的人、仪器、设备、装修等的安全和处于正常的 使用坏境状况的结构体系,称为“工程结构减震控制体系”【”。 : 、\// 赝重 穴 \// 尺 \// 尺 ????? ????》? ???》 图.结构减震控制体系 早在世纪初,人们就提出了结构隔震的概念和一些方法,并不断得到发展【.? 由于隔震技术在强震作用下对中、低层结构具有很好的效果,而且安全、经济,目前 己成为国际上减震控制和提高结构防灾减灾能力的主要手段之一“。与结构隔震相对 应,对高层结构风振或地震作用效应有较好效果的结构控制技术也发展起来了。 年月,第一届国际结构控制会议在美国洛杉矶召开,成立了国际结构 控制协会,标志着结构控制学科的形成和获得公认。工程结构减震控制是土 木工程结构前沿领域,也是各学科交叉的新技术领域,目前仍处于初期发展和初步应 用阶段。 结构控制按是否需要外部能源和激励以及结构反应的信号,可以分为被动控制、 没有外 主动控制、混合控制和半主动控制。被动控制体系 部能量的输入,它通过减震装置改变结构的阻尼、刚度或质量,其控制力是控制装置 随结构震动而被动产生的。结构被动控制体系包括隔震体系图一一、消能减震体地铁车辆段大平台结构一上部住宅减震系统研究 系图一、质量调谐体系图一.等类型,其优点是控制装置简单、 经济,因而得到广泛研究和应用。主动控制体系 图., 需要有外部能量输入和自动化设备,包括主动质量阻尼或驱动装置、主动拉 索或支撑系统,、主动变刚度体系、主动变阻尼体系和智 能材料自控体系等类型‘。主动控制体系效果显著,算法可调,但设备昂贵,且要 求实时控制,因此在实际工程中的应用受到很大制约。混合控制是指将主动控制技术 与被动控制技术或者两种不同的主动或被动控制技术结合起来,同时应用在同一受控 结构上的结构振动控制策略。由于采用了多种控制技术,混合控制可以克服单一控制 技术的缺点,充分利用每~种控制技术的优点,而获得较好的控制效果,但若其采用 主动控制技术,则仍需要外界输入较多的能量。半主动控制一般以被动控制为主体, 与主动控制相比,它仅需少量能量用于改变被动控制系统的参数或工作状态,以适应 系统对最优状态的跟踪。半主动控制系统利用受控结构的振动能量来产生控制力。在 土木工程领域,半主动控制的研究始于世纪年代初,已取得了一些成果,如主 动变剐度控制系统、主动变阻尼控制系统和主动变刚度/阻尼控制系 统等,但其发展仍不够成熟【】。 工程结构减震控制技术与传统抗震技术的比较及特点如下?: 不同的耐震途径和方法:传统抗震技术是沿用“硬抗”的途径,即采用加强结 构,加粗构件断面,加多构件配筋,提高结构刚度等方法来抵抗地震。而减震控制技 术则是采用隔震、消能、调整结构动力特性等方法,达到隔离地震或消减地震反应的 目的。 不同的设计依据:传统抗震设计方法是按照预定的“烈度”限定结构的抗震能 力。而结构减震控制设计则是根据地区的场地动力特性和结构物的特性,采用不同的 隔震、消能、减震控制技术,考虑在该地区可能产生的突发性超烈度大地震的情况下, 结构的地震反应仍被控制在安全的范围内,确保结构物以及结构中的人、设备、仪器 的安全和正常使用环境。 不同的防护对象:传统结构抗震技术只考虑结构本身的抗震能力,而未考虑 结构中的设备、仪器、装修等的防护要求。结构减震控制技术则既保护结构本身的安 全,也保护结构内部的设备、仪器、装修及正常使用环境。 不同的使用范围:结构减震控制技术不仅适用于新设计的工程结构物,也适 些壁圭塑壁奎鱼笙塑二圭塑垡主堕鐾墨笙婴窒 ??一 用于对耐震性能不足的工程结构物进行改良、加固,使其满足耐震要求。 由于结构减震控制技术有上述特点,对比传统抗震技术,它具有很多优越性 ‘:: 安全可靠、有效减震;根据振动台或实际地震 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 ,减震控制结构的地震反 应与传统抗震结构的地震反应的比值为: 隔震结构 %% 消能结构 %~% 控制结构 %一% 主动控制结构 %~% 经济,节省工程造价:根据某些已建结构的结算,减震控制结构与传统抗震 结构的工程造价相对比,节省造价如下: %~% 隔震结构 消能结构 %~% %一% 主动或其他被动控制结构 使建筑结构设计不受太多限制:采用减震控制结构可以突破传统结构对结构 设计的某些严格限制,按照建筑结构的功能要求,做成非规则结构、大跨度结 构、大 不问结构、框架与砖混合结构、超高砖混结构等等,而其耐震能力通过“减震控制” 装置加以保证。 适应范围广。 检测修复方便。 在各种结构减震控制体系中,隔震体系由于其隔震措施简单,隔震效果明显而得 到了广泛的应用。建筑结构隔震属于结构被动控制范畴,其基本思想是,将整个建筑 物或其局部楼层坐落在隔震支座、隔震支承面上,或者坐落在起隔震作用的地基或基 础上;在地震作用下,通过隔震层部件的动力性能来控制上部结构地震作用效应和隔 震层的变形,从而确保结构本身处于正常的使用状态及结构中的人、物等的安全。 结构隔震方法有多种类型:夹层橡胶垫隔震、摩擦滑移隔震、滚动装置隔震、支 承式摆动隔震和混合隔震等。隔震结构因能明显有效地减轻结构的地震反应,确保上 部结构的安全,故得到了迅速的发展。目前,隔震设计方法已经写进了一些国家的设 计规范。我国自世纪年代后期以来,也加快了隔震技术的研究,并参照世界上 较为成熟的成果,编制了有关橡胶支座隔震设计规程。地铁车辆段大平台结构一上部住宅减震系统研究 ?.建筑结构抗震分析方法 ?..抗震理论的发展过程【】 随着人们对地震动和结构动力特性认识程度的加深,在过去几十年中结构抗震理 论的发展,大体上可以划分为静力、反应谱和动力三个阶段。 .静力理论阶段 水平静力抗震理论创始于意大利,发展于本。年日本学者大森房吉提出 震度法的概念,认为结构物所受到的地震作用,可以简化为作用于结构的等效水平静 力,其大小等于结构重力荷载乘以地震系数?,即 ,:口:脚 式中,口??地震动最大水平加速度: ??重力加速度: ??地震系数,吖,其数值与结构动力特性无关,是根据多次地震震 害分析得出的,招/; 此理论创立时,一般认为结构是刚性的,故结构上任何一点的振动加速度均等于 地震动加速度,结构上各部位单位质量所受到的地震力是相等的。 .反应谱理论阶段 反应谱理论的主要内容是:建筑物可以简化为离散的多自由度体系,多自由 度体 系又可按照自振振型分解为若干个等效广义单自由度体系的组合。每个等效单自 由度体系的最大地震反应可以从设计反应谱求得;多自由度体系的最大地震反应,将 等于各个等效单自由度体系最大地震反应即各个振型地震反应按照某种遇合法则 所得的综合反应。 反应谱理论采用了如下三个基本假定: 结构是弹性的; 结构所有支座处的地震动完全相同,基础与土层之间无相互作用; 结构的最不利地震反应等于它的最大地震反应,而与其它动力反应参数无关。 例如达到最大反应数值的次数或概率,在该理论中就没有得到考虑。 反应谱理论考虑了结构动力特性与地震动特性之间的关系,但其计算公式仍保留地铁车辆段大平台结构一上部住宅减震系统研究 一??????????????????????????????????????????????????????????~ 了早期静力理论的形式。地震时结构所受的最大水平基底剪力,即总水平地震作用为 ?姐 式中,为地震系数,’为结构周期,‖丁则是加速度反应谱只与地震动最大加 速度的比值,它表示地震时结构振动加速度的放大倍数 口丁:蔓盟 反应谱方法的特点是理论比较成熟,计算简单。但由于它实质上的局限性,反应 谱分析法仍不免存在如下不足之处: 反应谱理论尽管考虑了结构的动力特性,然而,在结构设计中,它仍然把地 震惯性力当作静力来对待,所以它只能称为准动力理论。 表征地震动的三要素是振幅、频谱和持时。在计算反应谱过程中虽然考虑了 其中的前两个要素,但始终未能反映地震动持续时间对结构破坏程度的重要影响。 反应谱是根据弹性结构地震反应绘制的,引用反映结构延性的结构影响系数 后,也只能笼统地给出结构进入弹塑性状态后的整体最大地震反应,不能给出结构地 震反应的全过程,更不能给出地震过程中各构件进入弹塑性变形阶段的内力和变形状 态,因而也就无法找出结构的薄弱环节。 .动力理论分析阶段 年代中期以来,各国又相继发生了一些强烈地震。不少地震现场,除了取得 大量的地震动数据外,还取得了很多结构的地震反应记录,更重要的是取得了一些受 到地震严重损坏的结构的地震反应记录,从而促进了地震工程研究的迅速发展。 从表征地震动的振幅、频谱和持时三要素来看,抗震设计理论的静力阶段, 考虑 了结构高频振动的振幅最大值;反应谱阶段虽然同时考虑了结构各频段振动振幅的最 大值和频谱两个要素,而“持时”却始终未能在设计理论中得到明确的反映。年 美国圣费南多地震的震害,使人们清楚地认识到“反应谱理论只说出了问题的一大半, 而地震动持时对结构破坏程度的重要影响没有得到考虑”,从而推动了采用地震动加 速度过程,来计算结构反应过程的动力法的研究。此一新理论不但考虑了地震动的 持时,还更进一步地考虑了地震动过程中反应谱所不能概括的其它特性。 动力分析方法又称时程分析方法。它是将地震波按时段进行数值化后,输入结构 体系的振动微分方程,采用逐步积分法进行结构弹塑性动力反应分析,计算出结构在地铁车辆段大平台结构一上部住宅减震系统研究 整个强震时域中的振动状态全过程,给出各个时刻各杆件的内力和变形,以及各杆件 出现塑性铰的顺序。它从强度和变形两个方面来检验结构的安全和抗震可靠度,并判 明结构屈服机制和类型。 结构时程分析方法有如下特点: 输入地震动参数需要给出符合场地情况、具有概率含义的加速度过程打。 对于复杂结构要求给出地震动三个分量的时间过程及其空间相关性: 结构和构件的动力模型应接近实际情况,要包括结构的非线性恢复力特性。 动力反应分析方法要能给出结构反应的全过程,包括变形和能量损耗的积 累; 设计原则要考虑到多种使用状态和安全的概率保证。 由于动力理论在输入、模型、方法和原则等四个方面,都提出更具体的要求、 更 明确的规定、更详细的计算,从而可以得到更可靠的结构分析。 结构时程分析法有如下的功能: 采用地震动加速度时程曲线作为输入,进行结构地震反应分析,从而全面考 虑了强震三要素,也自然地考虑了地震动车富的长周期分量对高层建筑的不 利影响; 采用结构弹塑性全过程恢复力特性啦线来表征结构的力学性质,从而比较确 切地、具体地和细致地给出结构的弹塑性地震反应; 能给出结构中各构件和杆件出现塑性铰的时刻和顺序,从而可以判明结构的 屈服机制; 对于非等强结构,能找出结构的薄弱环节,并能计算出柔弱楼层的塑性变形 集中效应。 ?.地震反应分析的实用性 .存在不确切性 结构地震反应分析,特别是非线性反应分析,是在许多假定条件下进行的。这 些 假定与实际情况可能有较大出入。首先,对地震动的估计,由于地震的不确定性和复 杂性,可能出现成倍的误差。其次对结构的承载力、动力特性特别是非线性特性的评 估,不准确性也有可能使误差达到%左右】。这些误差当然都会反映在地震反应 分析结果中。 . .具有实用价值地铁车辆段大平台结构~上部住宅减震系统研究 尽管就某一次地震而言存在着误差,但并不能就此否定地震反应分析的实用性。 囚为地震反应分析中所考虑的许多因素,诸如地震动的频谱和持时、结构的延性等等, 其重要性和真实性都是经过多次实践反复证实了的。特别应咳注意的是,不能仅仅根 掘一次地震的结果下结论,来否定或肯定某一个规律,或评定某一理论的优劣,而需 要根据多次地震的大量事实,做出统计意义上的分析和 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 。这是因为,地震反应分 析中所采用的数据,例如反应谱、加速度和结构延性等等,都是具有平均意义的数据。 因此,我们只能要求,按照现有抗震理论设计的结构,在概率意义上更为合理,更符 合实际情况,具有更~致的安全概率。 .必要性 虽然在每次大地震的受震建筑中,都有可能发现一些现有设计方法不合理之处, 那是由于现有方法并不是完善的和无可改进的。然而,大量事实说明,经过抗震设计 的工程要远比未经过抗震设计的工程优越;按照新的现代抗震理论设计的工程,毕竟 要比按照旧有理论设计的优越。所以,对结构进行适当的线性、非线性抗震分析,或 者按照此等原理提出的简化方法进行分析和设计,是完全必要的。 ?..几种方法的应用 .应用范围 目前,反应谱分析法比较成熟,一些主要国家的抗震规范均将它作为基本设计方 法。不过。它主要适合于规则结构。对于不规则结构以及高层建筑,各国规范多要求 采用时程分析法进行补充计算。 采用时程分析法时,宜按烈度、近震、远震和场地类别选用适当数量的实际纪录 或人工模拟的加速度时程曲线,得到的底部剪力不应小于反应谱法底部剪力 法或振 型分解反应谱法计算结果的%。 .主要内容 根据我国《抗震规范》关于高层建筑结构抗震计算方法的规定,底部剪力法、 振 型分解反应谱法和时程分析法的使用条件和主要内容,可以概括为图?所示 的设计 流程框图?。地铁车辆段大平台结构一上部住宅减震系统研究 旱图犟圉。 . 多遇地震作用下的内力变形分析 【 必要时 以可靠度理论为基础的多系数抗震承载力验算 抗震配筋或构造 多遇地震下结构变形验算 罕遇地震下结构薄弱层弹塑 性 形 验 变 算 改善结构防倒塌变形能力的 抗 震 构 造 璺? 《抗震规范》关于三种分析方法的设计流程框图 ?..现有结构分析模型 .等效剪切型【 这种计算模型是以结构层为计算单元。忽略梁的变形,结构变形集中在竖向抗侧 构件上,因此可将各层所有的抗侧构件等效为一个总的层间抗剪构件来进行计算。该 模型的优点是计算简单省时,能够快速、扼要地提供工程所需的层剪力和层间位移。 但其缺点也是显而易见的,它仅适用于以剪切变形为主的规则结构,并且采用这种计 算方法只能得到结构在地震作用下的宏观反应,无法提供具体构件的内力和变形及由??一些壁塑丝查垩鱼堕塑二圭塑堡圭堕重墨篓竺壅 于地震作用引起的竖向荷载变化对构件屈服的影响。 . 平面杆系模型【】 采用的计算模型是由可带刚域的杆件组成的平面框架结构,它克服了剪切模型的 诸多弊端,杆件可同时考虑轴向、弯曲和剪切变形,框架节点有水平、竖向位移和转 动三个自由度,杆件恢复力特征曲线有弯曲屈服型和压弯屈服型两种。采用 该模型可 求得各杆件在地震作用下的内力和变形全过程,判断每根杆件的开裂和屈服与否,以 及各杆件屈服的先后顺序,从而了解整个结构的破坏形态。用平面杆系计算程序进行 弹塑性分析时,需对原结构进行简化,或是取出一榀框架进行分析或是将整个结构捏 合成一榀等效框架进行分析。 .非线性静力分析模型【 用该模型进行“静力弹塑性分析”,主要用于进行变形验算,尤其是大 震下的抗倒塌验算。通过非线性静力分析计算可以求出塑性铰位置和转角,找到结构 薄弱部位。 】 .非线性空间计算模型【 近年来国内外在地震作用空间非线性分析中做了大量的工作,也取得了不少的成 果。建立三维非线性模型,能更尽可能准确地模拟结构的实际情况,因而计算结果是 最能反映实际的。相比振动台试验,用数值计算能够节省时间和费用,所以是一种很 好的方式。如何建立反映真实结构的力学计算模型以及如何准确的模拟结构 的受力状 况是一个难点,也是科学工作者们一直在研究的问题。 结构,特别是钢筋混凝土结构,其非线性是客观存在的。但是目前的设计还是通 过假定结构或者预应力结构是未开裂的、各向同性的、材料是均质的和弹性的来确定 内力以及其它荷载效应。非线性分析的目的,就是当进行极限强度设计时,把由于单 元刚度变化所引起的内力重分布考虑进去【 。单元刚度的变化是随着荷载的增加而贯 穿于结构的弹性、开裂、非弹性状态和濒临倒塌全过程。如果钢筋混凝土结构的非线 性分析能够被广泛使用的话,结构的安全性将会大大提高,而且它的造价将会大大减 少。目前,钢筋混凝土结构的非线性有限单元分析方法还没有广泛应用到结构设计当 中,其主要原因还是缺乏可靠的和有效的通用程序。随着计算机技术的发展,出现了 如等大型的有限元分析程序,这给钢筋混凝土结构的非线性计算提供了很好 的手段。?? 丝堡圭塑垦奎鱼堕塑二圭塑堡主堕璧墨堕塑塞 在线性【置体力学中,常常作一些假定‘】,即:材料的应力和应变关系是线 性 的:应变和位移的几何关系是线性的;应变很小;外部荷载的大小和方 向不随结构的变形而变化。只要以上四个假设中任何一个不满足,就是所谓的非线性 问题。如果上面的第一个假定不满足,则这个问题就是材料非线性问题:如果是后三 个中的任何一个不满足,则是几何非线性问题。 由于地震力的作用总是在各个方向同时发生的,因此我们要得到结构的真实地震 反应必须建立结构的空间模型。美国,日本等地的高层建筑结构震害分析表明,按现 有平面高层结构非线性地震反应计算理论来预估高层结构的地震破坏状况,与结构的 实际震害存在着明显的差异【 ,因此,考虑地震的多维作用,发展空间房屋结构的非 线性地震反应计算方法十分必要。 ?.本文的主要研究内容 本论文的选题主要是围绕橡胶垫减震技术在地铁车辆段大平台上部空间开发住 宅楼中的应用展开的。由于该工程的重要性和特殊性,有必要进行弹塑性动力分析以 确保其设计的安全性。对于进行减震控制后的结构体系,将其与未采用减震 控制时的 差别和空间非线性动力反应进行对比研究是本文的重点,具体包括以下几个方面: .简化减震结构的力学模型,理论推导其振动基本方程,并应用结构动力学理 论对该减震体系的各种情况进行分析,结合本工程情况,评价减震效果,验证该结构 体系减震设计的合理性; . 用大型有限元分析软件 .建立八王坟地铁超大平台结构一上 部住宅系统动力分析模型; .输入不同的地震波,分别进行减震结构和非减震结构的空间非线性动力时程 分析,进而研究不同地震波输入对结构反应的影响,以及对减震效果的影响: .对八王坟地铁超大平台结构一上部住宅系统的减震设计提出相关建议。地铁车辆段大平台结构~上部住宅减震系统研究 同网网网 ??广??厂??厂。?。 必要时 以可靠度理论为基础的多系数抗震承载力验算 抗震配筋或构造 多遇地震下结构变形验算 罕遇地震下结构薄弱层弹塑 性 变 形 验 算 改善结构防倒塌变形能力的 抗 震 构 造 璺卜 《抗震规范》关于三种分析方法的设计流程框图 ?..现有结构分析模型 等效剪切型【 这种计算模型是以结构层为计算单元,忽略梁的变形,结构变形集中在竖向抗侧 构件上,因此可将各层所有的抗侧构件等效为一个总的层间抗剪构件来进行计算。该 模型的优点是计算简单省时,能够快速、扼要地提供工程所需的层剪力和层间位移。 但其缺点也是显而易见的,它仅适用于以剪切变形为主的规则结构,并且采用这种计 算方法只能得到结构在地震作用下的宏观反应,无法提供具体构件的内力和变形及由些壁主塑丝查垩鱼堕塑二圭塑堡圭堕重墨篓竺壅 ??一 于地震作用引起的竖向荷载变化对构件屈服的影响。 .平面杆系模型【叫 采用的计算模型是由可带刚域的杆件组成的平面框架结构,它克服了剪切模型的 诸多弊端,杆件可同时考虑轴向、弯曲和剪切变形,框架节点有水平、竖向位 移和转 动三个自由度,杆件恢复力特征曲线有弯曲屈服型和压弯屈服型两种。采用该模型可 求得各杆件在地震作用下的内力和变形全过程,判断每根杆件的开裂和屈服与否,以 及各杆件屈服的先后顺序,从而了解整个结构的破坏形态。用平面杆系计算程序进行 弹塑性分析时,需对原结构进行简化,或是取出一榀框架进行分析或是将整个结构捏 合成一榀等效框架进行分析。 .非线性静力分析模型【 用该模型进行“静力弹塑性分析”,主要用于进行变形验算,尤其是大 震下的抗倒塌验算。通过非线性静力分析计算可以求出塑性铰位置和转角,找到结构 薄弱部位。 】 .非线性空间计算模型【 近年来国内外在地震作用空间非线性分析中做了大量的工作,也取得了不少的成 果。建立三维非线性模型,能更尽可能准确地模拟结构的实际情况,因而计算结果是 最能反映实际的。相比振动台试验,用数值计算能够节省时间和费用,所以是 一种很 好的方式。如何建立反映真实结构的力学计算模型以及如何准确的模拟结构的受力状 况是一个难点,也是科学工作者们一直在研究的问题。 结构,特别是钢筋混凝土结构,其非线性是客观存在的。但是目前的设计还是通 过假定结构或者预应力结构是未开裂的、各向同性的、材料是均质的和弹性的来确定 内力以及其它荷载效应。非线性分析的目的,就是当进行极限强度设计时,把由于单 元刚度变化所引起的内力重分布考虑进去【 。单元刚度的变化是随着荷载的增加而贯 穿于结构的弹性、开裂、非弹性状态和濒临倒塌全过程。如果钢筋混凝土结构的非线 性分析能够被广泛使用的话,结构的安全性将会大大提高,而且它的造价将会大大减 少。目前,钢筋混凝土结构的非线性有限单元分析方法还没有广泛应用到结构设计当 中,其主要原因还是缺乏可靠的和有效的通用程序。随着计算机技术的发展,出现了 如等大型的有限元分析程序,这给钢筋混凝土结构的非线性计算提供了很好 的手段。地铁车辆段大平台结构一上部住宅减震系统研究 在线性固体力学中,常常作一些假定【】,即:材料的应力和应变关系是线性 的:应变和位移的几何关系是线性的;应变很小;外部荷载的大小和方 向不随结构的变形而变化。只要以上四个假设中任何一个不满足,就是所谓的非线性 问题。如果上面的第一个假定不满足,则这个问题就是材料非线性问题;如果是后三 个中的任何一个不满足,则是几何非线性问题。 由于地震力的作用总是在各个方向同时发生的,因此我们要得到结构的真实地震 反应必须建立结构的空间模型。美国,日本等地的高层建筑结构震害分析表明,按现 有平面高层结构非线性地震反应计算理论来预估高层结构的地震破坏状况,与结构的 实际震害存在着明显的差异?,因此,考虑地震的多维作用,发展空间房屋结构的非 线性地震反应计算方法十分必要。 ?.本文的主要研究内容 本论文的选题主要是围绕橡胶垫减震技术在地铁车辆段大平台上部空间开发住 宅楼中的应用展开的。由于该工程的重要性和特殊性,有必要进行弹塑性动力分析以 确保其设计的安全性。对于进行减震控制后的结构体系,将其与未采用减震 控制时的 差别和空间非线性动力反应进行对比研究是本文的重点,具体包括以下几个方面: .简化减震结构的力学模型,理论推导其振动基本方程,并应用结构动力学理 论对该减震体系的各种情况进行分析,结合本工程情况,评价减震效果,验证该结构 体系减震设计的合理性; . 用大型有限元分析软件.建立八王坟地铁超大平台结构一上 部住宅系统动力分析模型; .输入不同的地震波。分别进行减震结构和非减震结构的空间非线性动力时程 分析,进而研究不同地震波输入对结构反应的影响,以及对减震效果的影响: .对八王坟地铁超大平台结构一上部住宅系统的减震设计提出相关建议。地铁车辆段大平台结构一上部住宅减震系统研究 一??????????????????????????????????????????????????????????????? ??????一 第二章橡胶垫减震结构的动力模型及理论研究 ?. 与和隔震体系的联系与区别 本文所述的橡胶垫减震结构是指在下部大平台结构和上部住宅之间设置橡胶垫 减震层,用以减少地震时结构包括下部大平台结构和上部住宅的动力反应。 这种 结构碱震体系与结构被动调谐减震控制体系和结构隔震控制体系具有密切 的联系,但又具有明显的区别。 减震控制体系是由主结构和附加在主结构上的子结构组成。附加的子结构 具有质量、刚度和阻尼。当主结构受激励而振动时,子结构就会产生一个与结构振动 方向相反的惯性力作用在主结构上,使主结构的振动反应衰减并受到控制。可以通过 调节子结构自振频率,使主结构的反应尽可能的减少。由于这种减震控制不需要提供 外部能量,只是通过调整结构的频率特性来实现,故称为“被动调谐减震控制”。 的主要目的是通过质量块的调谐使得下部结构的反应减少。 结构隔震一般是指在基础和上部结构之间设置隔震层,改变隔震结构的基本周 期,使之远离地震动或场地的卓越周期或特征周期,避免共振效应,从而达到减轻被 隔震结构地震反应的目的。隔震层可以是一系列适当选择的夹层橡胶垫、滚动轴承、 砂垫层或特殊设计的装置,较为成熟的隔震装置夹层橡胶垫。 对于本文所述的上一下部结构减震体系,减震层为适当选择和设计的橡胶垫层。 与控制体系不同,本文所指上一下部结构减震体系中的上部结构可以是一层结 构,也可以是多层结构,其目的不仅仅是要减轻下部结构的地震反应,同时还要求上 部结构的反应亦能被适当降低。当上部结构为单自由度体系且其反应不要求控制时, 本文所述上一下部结构减震体系退化为控制体系;与隔震指基础隔震控制 体系不同,本文所指上一下部结构减震体系中的下部结构可以是一层结构,也可以是 多层结构,其目的不仅仅是要减轻上部结构的地震反应,同时还要求下部结构的反应 办能被有效降低。当下部结构为单自由度体系且其反应不要求控制时,本文所述上一 一部结构减震体系退化为基础隔震体系。 本文所述的上一下部结构减震体系,就是有些文献中所说的层间隔震结构体系。地铁车辆段大平台结构一上部住宅减震系统研究 本文之所以不采用层间隔震结构体系的称谓,是因为这种所谓的上一下部结构减震体 系的减震机理更接近于的控制机理。对于下部结构,上部结构的作用相当于调 协质量块:但是对于上部结构,减震层的作用又相当于隔震层。所以本文也没有将这 种体系称为控制体系。 对于基于夹层橡胶垫的八王坟地铁车辆段底部大平台结构~上部住宅开发应用 的减震问题而言,其上一下部结构减震体系的下部结构是指大平台结构,而上部结构 就是大平台上的住宅建筑,减震层就是位于大平台结构和住宅建筑之间的夹层橡胶垫 层。该种减震体系不仅可以减轻下部大平台结构的地震反应,还可以控制上部住宅建 筑的地震反应。 ?.上一下部结构减震体系动力反应分析 ?..理论公式推导 通常情况下,将每一个楼层简化为一个质点,假定一个一层结构,在中间某一层 设置橡胶垫减震层,将减震层也看成一个结构层,这样形成一个个质点的体系。 根据达朗贝尔原理,其运动微分方程可写成.的形式 ? 爿】肖,戈。 式中, ~系统质量矩阵; 【??系统刚度矩阵; ~质点系相对于地面的位移反应向量; 卜??系统阻尼矩阵,常采用出阻尼,即 . 】】‖眯】 如式.、 常数,可由结构体系第,/振型的阻尼比岛,白和自振频率?.,确定 ?一般取卢,产 . 口彩,脚,兰等 ‖:丝簿 ?一曲‘ 式.中,质点的位移矗,是以几何坐标来描述的,用这种坐标系表示的地铁车辆段大平台结构一上部住宅减震系统研究 多质点体系的振动方程是耦连的,如果采用以振型为基底的广义坐标来描述质点的位 移,就可以利用振型的正交性使方程组内的方程式互相解耦而各自独立,结构的地震 位移反应就可以表示成若干振型的线性组合。 由于采用橡胶蛰减震后,上部结构和下部结构的层间刚度远远大于减震装置的水 平川度,因此在水平地震作用下,结构变形主要集中在减震层。对于比较规则的建筑, 可以只考虑第一振型的影响,所以为了简化分析过程,假定:上部结构和下部结构都 看作一个结构单元。 由假定知,可视上部结构和下部结构均为剐体平动,并简化为单质点。根据上述 假定,当不考虑隔震层质量时,该种隔震体系可以简化为~个双自由度结构,受地震 激励的计算模型如图一所示,图中’.为下部结构质量;必,为下部结构刚度,,为 下部结构阻尼,卅:为上部结构质量:女:为上部结构刚度;:为上部结构阻尼;为 地面地震加速度;。为下部结构相对地面的位移反应; :为上部结构相对下部 结构的位移反应。 删 群 童 ???/、/? 。【 图. 双自由度力学模型简图 对图.所示的计算模型,由达朗贝尔原理可列出运动方程: ? ‘ 一小“一 :。一 戈膏七一,胛觉 如果求得.,则能对下部结构结构的位移反应进行减震控制。如果求得:,则 可对上下部结构之间的弹性滑动装置的最大水平变形进行控制。????塑壁主 塑堕查垩鱼堕塑二圭塑堡皇堕重墨堕堡壅 由?式可以得到下面的运动方程: :., 孟”:主;:曼妻暑十:点乏芸;一肌之。, 她赝赝一和鲁一孙%舯二?比 可得 %。 ?...........,.. :;:;:;警:;:妻:;?,:乏甚;一七。。, 。 设。,,,“”,,,,主;,?,乏?,,,贝 协, 十‘。 :甜阿珧 ? ~ 善 』 ‘‘一。:,善:‘二专乏?《 最后得到 一 , 脑。 哼 峨一?‘炙一弩一 %‰ 瓢 ‘ ? 、 、?????、,?? , 设结构加速度放大系数为,,则 鼠 】 下面对式.进行讨论 对于基础隔震体系,第一层为隔震层,目的是为了减轻第二层的振动,即调整 女,和夤,使的模尽量小。当不考虑隔震层质量时,“】可视为,;当考虑隔震 层质地铁车辆段大平台结构一上部住宅减震系统研究 量时,?可视为隔震层质量,视为上部结构的刚度。 对于被动调谐质量阻尼器来说,第一层为受控结构,第二层为, 目的是为了减轻第一层的反应,即调整々:和卣,使的模尽量小。此时,。、女: 和 :可分别视为的质量、刚度和阻尼比。当不考虑阻尼,?/‰,即 :?/?时,户,完全消震。对于实际地震动,其频率成分是很丰富的, 理论上包含无穷多个简谐分量,但与结构基频接近那些分量对结构的振动影 响最大, 故应耿:?/.,才能较好地控制结构的反应。 对于层间隔震称为减震更恰当的情况,假设隔减震层以上为刚性平动, 则第二层为隔减震层,目的是为了减轻第一层反应的同时,也要使得第二层 的反 应得到降低,即调整女:和:,使抚和:的模都尽量小,~般情况下,,和:的模不 可能同时取到最小,因此引入系数“和,使得甜旧‖ :达到最小,这里 甜,‖‖,口和‖为权重系数,分别表示对第一层和第二层的控 制程度。 由式.,一可以得到第一层和第二层的加速度放大系数最大值,如下: , . : . 其中 芒矿 ?. .芒?.旷 ?一.旷.毛毛矿‖ :地铁车辆段大平台结构一上部住宅减震系统研究 如果考虑层间隔震层的质量时,结构模型应简化为三自由度体系,此时,。、 垃、 印分别表示隔震层的质量、刚度和阻尼; 、幻、分别表示上部结构的质量、刚 度和阻尼;,、,、,分别表示下部结构的质量、刚度和阻尼。 与 一土墨 一?兰 手。 戈。 毫七 图. 考虑隔震层质量时力学模型简图 由图.,可以得到三自由度体系的运动方程为 幔%他 他他% 毫 岛 葺,恐,码 %鸭伤 赶 岛十 芝,惦 % 鸭 屹 ? 五 嘲,吃,码 一%%畏 怕 【 一一 些墼兰塑壁茎兰鱼堕塑二占塑堡主堕鐾墨堑婴壅 堕 设? ? %一 ‰ 茁“?柏,旷、尝,舻、/熹 ‰薏二瑙哪?,悟九压 , 则彳 矾 白翻。‘删 蔫日 ?宿 锄 遽 压器。 锢证,??? 。,。之。々 ?????? 铂 ,之勺 ?叫研 ~~眩一一 ,......,,.,..,..?,、.?.........【 、“川??? 考 砬一 一钮?, 【 . 缈,代入上式可 设。,,:矗妒,,,,兰虽曰墨。幻茎 ...............、,,..。..... 得‰%卣 晶 最 ‰ 尚 觑如执 和 疗 【,......... ‰‰。 ?...............。.......... ? ,..?........,、.,..... “ ??????????????? 一? ? ? ? ? 、,?????,?,?? 设‘:旦,屹:旦,乇丝,有 珊 脚 甜 一%一% 一% 卜%一%啕平 % 一一% 一一‰晚,孝 一% ,???,、,????????【 气吆% 一 ? ..【,........, 一瑶毒 。 、????????? ,一 通过求解式.】,可以进一步分析层间隔震体系的减震效果。方程?的求解 ?塑 堕 二 系一 宅一 震一 究一 减一 上一部一住一 厶口一 构一 矧一 平一 一 。 一十 一: 糍 即叫 堡 ? 。一必 “一 ? 。一必 吐一? 具甲, 乃,‘ 严已.,,,.?白岛乃一善,,喜,已一毒,?』 .?.;芎?;??’’ ; ,。,白十疗,,,,,』邑,一。白一,,卣? 捌? :一,白,,,,一,,,.,.,一,柑,帕』一,善,,已 已。,螽,’.和,,.,。,一乃?已,.,,,色孝 ,厂,,?已,.』邑,.,.,十,.?』均,十已卣, :。,.?乏;壬扩;毛七; 川;?芎?毛 与一。 ’号与 ,州,,?已,,,?邑 ‘十,州,,一粤’,。勺 产,.一州,,一,一,,,.埘,,研 ,:,.,。一,,‘一,。一,‘,.埘,,。,研 ?;.芎 专矿?薯,一七?七矽; ; ???十矿;一毛《毛矿寺矿 一 一臼一莛 日 一 召 ?酌 由式,~.可以得到各层的加速度放大系数最大值,如下 ..地铁车辆段大平台结构~上部住宅减震系统研究 爿。 ? /坚.二垒岛忍十 . ~ . ?..基础隔震情况分析 对于基础隔震体系,根据式一和.,将上部结构看成一个刚性体,可以通 过假定肌:为零,七:为无穷大,通过调整七。和磊,可以得到相应的爿,最大值, 可得如下 曲线,横坐标表示结构频率和激励频率之比,纵坐标表示加速度放大系数,表 示隔 震层的阻尼比。 ~///,?。。 \、\ “ 掣 、\ 乏兰?霎兰。。~一 止兰翌乍三二二二 图.基础隔震情况 ?/地铁车辆段大平台结构一上部住宅减震系统研究 对于图,不同阻尼比的曲线有一个公共交点,该点对应横坐标频率比为., 对应纵坐标最大加速度放大系数为 。当结构和激励频率比小于.时,最大 加速度放大系数小于,反之则大于,并且当频率比等于时,结构体系达到共振 状态,结构加速度反应最大,当频率比继续变大至无穷大时,相当于刚性结构体系. 结构反应趋近于地面激励:当结构和激励频率比小于.时,随着隔震层阻尼比的 增大,结构加速度响应也随之增大,当结构和激励频率比大于.时,随着隔震层 阻尼比的增大,结构加速度响应不断减小,因此,对于基础隔震结构,应该根据结构 的固有频率和场地状况如场地卓越周期等合理的确定阻尼比,不能过大也不能过 小。 体系情况分析 ?.. 对于被动调谐质量阻尼器来说,第一层为受控结构,第二层为, 可以通过调整:和:,得到相应的的最大值,绘制曲线如下。横坐标表示上下结 构的频率比,纵坐标表示结构最大加速度放大系数,善表示第二层的阻尼比已。 『 ,; 。/分~. 至三三; 一? , 一一一志一??亩一?参 图. 体系的情况???????????』鉴堑型堕?鱼堕塑二圭塑堡圭堕壁墨堕塑窒 图,是在孝,.,,。.,,尸.时,根据式.计算得到。由图中曲线 可以看出,当上下结构频率比较小时,提高的阻尼比有利于减小下部主结构 的 加速度反应;当上下结构频率比较大时,随着
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