带高位厚板转换层钢筋混凝土框筒结构地震反应的研究

带高位厚板转换层钢筋混凝土框筒结构地震反应的研究 学 学 学 学 校 校 校 校 代 代 代 代 码 码 码 码 10530 学 学 学 学 号 号 号 号 201013011643 分 分 类 类 号 号 TU973 密 密 级 级 分 分 类 类 号 号 密 密 级 级 硕 硕 士 士 学 学 位 位 论 论 文 文 硕 硕 士 士 学 学 位 位 论 论 文 文 带 高 位 厚 板 转 换 层 钢 筋 混 凝 土 框 筒 结 带 带 带 高 高 高 位 位 位 厚 厚 厚 板 板 板 转 转 转 换 换 换 层 层 层 钢 钢 钢 筋 筋 筋 混 混 混 凝 凝 凝 土 土 土 框 框 框 筒 筒 筒 结 结 结 构 构 地 地 震 震 反 反 应 应 研 研 究 究 构 构 地 地 震 震 反 反 应 应 研 研 究 究 学 学 学 学 位 位 位 位 申 申 申 申 请 请 请 请 人 人 人 人 张 张 张 张 回 回 回 回 指 指 指 指 导 导 导 导 教 教 教 教 师 师 师 师 周 周 周 周 靖 靖 靖 靖 副 副 副 副 教 教 教 教 授 授 授 授 学 学 学 学 院 院 院 院 名 名 名 名 称 称 称 称 土 土 土 土 木 木 木 木 工 工 工 工 程 程 程 程 与 与 与 与 力 力 力 力 学 学 学 学 学 学 学 学 院 院 院 院 学 学 学 学 科 科 科 科 专 专 专 专 业 业 业 业 结 结 结 结 构 构 构 构 工 工 工 工 程 程 程 程 研 研 研 研 究 究 究 究 方 方 方 方 向 向 向 向 混 混 混 混 凝 凝 凝 凝 土 土 土 土 结 结 结 结 构 构 构 构 设 设 设 设 计 计 计 计 理 理 理 理 论 论 论 论 研 研 研 研 究 究 究 究 二?一三年四月E E E E a a a a r r r r t t t t h h h h q q q q u u u u a a a a k k k k e e e e R R R R e e e e s s s s p p p p o o o o n n n n s s s s e e e e S S S S t t t t u u u u d d d d y y y y O O O O n n n n R R R R C C C C F F F F r r r r a a a a m m m m e e e e - - - - c c c c o o o o r r r r e e e e W W W W a a a a l l l l l l l l S S S S t t t t r r r r u u u u c c c c t t t t u u u u r r r r e e e e w w w w i i i i t t t t h h h h H H H H i i i i g g g g h h h h T T T T h h h h i i i i c c c c k k k k - - - - s s s s l l l l a a a a b b b b s s s s T T T T r r r r a a a a n n n n s s s s f f f f e e e e r r r r - - - - s s s s t t t t o o o o r r r r e e e e y y y y C C C Ca a a an n n nd d d di i i id d d da a a at t t te e e e Zhang Hui S S S Su u u up p p pe e e er r r rv v v vi i i is s s so o o or r r r Associate Professor Zhou Jing C C C Co o o ol l l ll l l le e e eg g g ge e e e College of Civil Engineering and Mechanics P P P Pr r r ro o o og g g gr r r ra a a am m m m Structural Engineering S S S Sp p p pe e e ec c c ci i i ia a a al l l li i i iz z z za a a at t t ti i i io o o on n n n Design Theory of Concrete Structure D D D De e e eg g g gr r r re e e ee e e e Master U U U Un n n ni i i iv v v ve e e er r r rs s s si i i it t t ty y y y Xiangtan University D D D Da a a at t t te e e e April, 2013湘 湘 湘 湘 潭 潭 潭 潭 大 大 大 大 学 学 学 学 学 学 学 学 位 位 位 位 论 论 论 论 文 文 文 文 原 原 原 原 创 创 创 创 性 性 性 性 声 声 声 声 明 明 明 明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任 何其他个人或集体已经发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名: 日期: 年 月 日 学 学 学 学 位 位 位 位 论 论 论 论 文 文 文 文 版 版 版 版 权 权 权 权 使 使 使 使 用 用 用 用 授 授 授 授 权 权 权 权 书 书 书 书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文 被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名: 日期: 年 月 日 导师签名: 日期: 年 月 日带高位厚板转换层钢筋混凝土框筒结构地震反应研究 摘 要 带高位厚板转换层高层结构理论研究还不深入,弹性地震反应 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 在现阶段 常见。但是,结构在弹塑性分析中的结构响应较为少见。本文就带高位厚板转换 混凝土框筒结构,开展地震弹性和弹塑性响应分析。 采用振型分解反应谱分析方法,通过参数分析研究地震强度水平、转换层层 位、转换板厚度和下部结构刚度变化对结构振动周期、层间位移和楼层剪力等结 构弹性反应的影响。通过非线性动力时程分析,探讨地震强度水平、转换层层位、 转换板厚度、下部结构刚度和楼层屈服承载力变化对层间位移和楼层剪力等结构 弹塑性反应的影响。结果表明:层间位移和楼层剪力随地震强度增大而增大,地 震强度越大影响越显著;随转换层层位提高,结构平动周期减小,而扭转周期增 大,结构变形逐渐由上部楼层控制转变为下部楼层控制,转换层邻近楼层框支柱 分配的楼层剪力增加,层间位移增大;转换板厚度增加对转换层下部结构的 抗震 不利,扭转效应增大;弹性分析中下部结构核心筒剪力墙厚度增大结构周期 比减 小,而框支柱截面增大结构周期比增大。在弹塑性分析中,转换层下部核心筒 剪 力墙厚度和框支柱截面增大,均会减小结构的层间位移,但下部楼层剪力增 大; 楼层屈服承载力是影响结构位移反应的重要因素,地震强度越大影响越明 显。 关 键 字:高位厚板转换层;框筒结构;地震反应;抗震 I湘潭大学硕士学位论文 Abstract High thick-slabs transfer-story of high-rise structure with high theoretical research is not thorough, the elastic seismic response analysis is relatively common, but the analysis of the elastic-plastic response is relatively rare. In this paper, the elastic and elastic-plastic earthquake response of reinforced concrete RC frame-core wall structure with high thick-slabs transfer-story was studied. The response spectrum analysis method of mode decomposition was used to investigate the influence of earthquake intensity, location of thick-slabs transfer-story, transfer-slab thickness and lower-story stiffness on the structural response by parameter analysis, such as structural vibration period, inter-story drift and story shear force. The dynamic time-history analysis is used to investigate the earthquake intensity influence, location of thick-slabs transfer-storey, transfer-slab thickness, lower-storey stiffness and storey yield strength, on the structural elastic-plastic response, such as inter-storey drift and storey shear force. The results demonstrated that inter-story drift and story shear force increases with increase in earthquake intensity, which is more significant due to increase in earthquake intensity. The translational period decreases and torsion period increases with the rise of transfer-story. The structural dominant drift is increasingly changed to the drift of lower stories from the drift of upper stories, and the share of story shear force increases in frame-supporting columns adjacent transfer-story stories. The overlarge transfer-slab thickness is disadvantageous to the lower stories, which can amplify the torsion effects. The structural period ratio increases with increase in thickness of core wall, while the structural period ratio decreases with increase in section of frame-supporting columns. The elastic-plastic earthquake response results demonstrate that the inter-storey displacement decreases with the increase in section of frame-supporting columns and thickness of core wall, but the storey shear of the lower stories increases simultaneously. The storey yield strength has important influence on the structural displacement response. K K K Ke e e ey y y y w w w wo o o or r r rd d d d : : : : high thick-slabs transfer-story ; frame-core wall structure; earthquake response; anti-earthquake II带高位厚板转换层钢筋混凝土框筒结构地震反应研究 目 录 第 1 章 绪 论. 1 1.1 引言1 1.2 研究背景与意义1 1.3 国内外研究现状3 1.3.1 梁式转换层的研究现状3 1.3.2 桁架式转换层的研究现状..4 1.3.3 板式转换层的研究现状5 1.4 目前研究存在的问题 5 1.5 本文研究内容.6 第 2 章 结 构 地 震 动 响 应 分 析 方 法 与 非 线 性 分 析 程 序 7 2.1 前言7 2.2 结构地震动弹塑性动力响应的时程分析法7 2.2.1 结构振动模型. 7 2.2.2 结构地震动方程的建立.10 2.2.3 输入地震波的选择12 2.2.4 地震动方程的直接积分法13 2.3 非线性分析程序.15 2.4 本章小结. 17 第 3 章 带 高 位 厚 板 转 换 层 混 凝 土 框 筒 结 构 地 震 反 应 分 析.19 3.1 前言 19 3.2 工程结构模型..19 3.3 参数分析. 21 3.3.1 地震动强度的影响21 3.3.2 转换层层位的影响22 3.3.3 转换层板厚度的影响..22 3.3.4 下部楼层刚度影响23 3.4 抗震设计建议..26 3.5 本章小结. 26 第 4 章 带 高 位 厚 板 转 换 层 混 凝 土 框 筒 结 构 地 震 弹 塑 性 分 析27 4.1 前言 27 4.2 结构模型与地震动记录 27 III湘潭大学硕士学位论文 4.2.1 结构模型. 27 4.2.2 地震动记录 27 4.3 参数分析. 29 4.3.1 地震动强度的影响33 4.3.2 转换层层位的影响34 4.3.3 转换层板厚度的影响..35 4.3.4 下部楼层刚度的影响..37 4.3.5 层屈服承载力的影响..39 4.4 本章小结. 39 第 5 章 结 论 与 展 望. 41 5.1 本文结论. 41 5.2 创新点42 5.3 展望 42 参 考 文 献..43 致 谢. 46 附 录 A 攻 读 硕 士 学 位 期 间 发 表 的 学 术 论 文47 附 录 B 攻 读 硕 士 学 位 期 间 参 与 的 科 研 项 目48 IV带高位厚板转换层钢筋混凝土框筒结构地震反应研究 第 1 章 绪 论 1.1 引 言 为满足建筑下部大空间、上部小空间的功能需求,带转换层高层结构被大量 [1] 采用 ,而板式转换结构有其突出的优势和特点,在实际工程中的应用也不断 增 [2] 多。近年来,厚板转换层的设置层位越来越高,超过了相关 设计规范 民用建筑抗震设计规范配电网设计规范10kv变电所设计规范220kv变电站通用竖流式沉淀池设计 的限定 , 如 7度地震设防区高层框支剪力墙结构的第 4~第 8层位厚板转换层已有 工程报道 [3-14] 。因经济效益的考虑,转换层位置低于 3 层的建筑很难被开发商接受。由于 板式转换结构的突出特点,即转换层上、下部结构的布置可以相对独立,适用性 [15] 较好 。但带转换层高层结构的竖向刚度、承载力和质量通常不均匀布置,地震 作用下结构的动力反应与规则结构不同,高位厚板转换更有不同于其他高位转换 类型的特性。由于带高位厚板转换层高层结构的抗震设计研究还不太成熟,其在 高烈度区的应用在国内受到了较高的限制,此类结构体系的理论研究已经滞后于 工程应用;此外,结构进入损伤屈服阶段后,结构的非线性不成比例发展的地震 弹塑性反应是识别结构薄弱部位开展抗震控制设计的关键。因此,系统研究此类 高位转换结构地震反应十分必要。 1.2 研 究 背 景 与 意 义 随着经济发展水平和人们生活水平的不断提高,高层建筑朝着体型复杂、功 能多样的综合性方向发展,结构形式越来越复杂多样。 在同一栋建筑中,沿建筑高度方向建筑功能发生变化,即当上部楼层布置为 住宅、酒店,中部楼层为办公用房,下部楼层则是大型商场、文化娱乐设施,上、 中、下分区功能明确、分区合理、动静适宜。建筑功能分区导致结构竖向布置不 规则,普通结构形式难以实现建筑功能功能转换,所以在实际工程中,带转换层 [16-18] 的结构应用广泛 。如图 1.1 所示转换层结构功能布置与正常结构布置的示意 图。 从结构受力分析,建筑物大部分的竖向荷载都是结构自重,尤其高层建筑结 构,自重大地震力大,结构下部的地震剪力更大,合理布置的结构从下往上应该 是根据地震力的变化,设计承重构件如梁、柱和剪力墙的刚度变化,即上部刚度 较小、中部刚度适中、下部刚度大。在高层建筑结构竖向刚度突变处需进行特殊 设计,在转换层楼层设置水平转换构件,这个特殊设计层即所谓的转换层结构。 一般来说,高层建筑上、下部结构形式不同,或者上、下部轴网疏密程度发生较 大变化时,通常在突变处设置转换层。如表 1.1 为本文研究的厚板转换层结 构在 [18] 工程中的实例 。 1湘潭大学硕士学位论文 酒 店 、住 宅 (小 空 间 ) 上 层 办 公 室 中 (中、小 空 层 间) 下 商 业 、文 娱 层 (大 空 间 ) a 结构正常布置 b 建筑功能布置 图 1.1 多功能建筑中结构布置与建筑功能要求的矛盾示意图 [19] 简单的说,转换层的分类有 (图 1.2):梁式转换、桁架式转换、箱型转换 和厚板式转换。 1 梁式转换是用截面尺寸较大的大梁作为传力构件,将上部楼层承重构件, 如承重柱、剪力墙的荷载通过转换梁传递到下部楼层。这种形式的优势:荷载传 递途径清晰明了,计算和分析比较方便。梁式转换较多的适用于框支剪力墙结构 和框架结构。 2 桁架转换是将梁式转换中大梁替换成多榀钢筋混凝土桁架或者钢结构桁 架,与梁式转换所不同的是组成桁架的上、下弦杆的截面尺寸相对较小。桁架同 样具有荷载传递途径清晰明了的优点,但桁架的节点难于施工。 3 箱形转换是将一整层包括结构层内的剪力墙,通过加强后组成传力构件, 这种结构具有很大的承载力和楼层刚度,介于梁式转换和板式转换之间,改善了 转换层结构的抗震性能。高层建筑下部楼层需要较大的楼层抗剪刚度,而箱形转 换层的刚度大,较好的实现了保持上、下刚度一致,避免产生过大的水平位移突 变。 4 板式转换是用深梁或者工字型深梁,实心厚板或箱形厚板作为传力构件, 上、下部楼层结构形式可以灵活多变是板式转换的最大优点,但板式转换自重大、 刚度大,在板式转换层设置处受力突变格外明显。 2带高位厚板转换层钢筋混凝土框筒结构地震反应研究 (a 梁 式 (b 桁 架 式 (c 箱 式 d 板 式 图 1.2 转换层结构形式分类示意图 表 1.1 高位厚板转换层结构的工程实例 序 转换层 转换层 工程名称 层数 结构类型 跨度(m) 号 形式 所在层 1 深圳福田彩虹城大厦 38 框支剪力墙 板式 7 10.0 2 珠海香州港湾花园 28 框支剪力墙 板式 6 9.0 3 30 - 7 9.9 南京娄子巷小区商住楼 框架 剪力墙 板式 4 福建金桥广场 36 框架-剪力墙 板式 5 5 香港 Provident Center 30 框支剪力墙 板式 4 6 捷克 Hotel Kyiev 21 剪力墙 板式 5 7 北京艺苑假日皇冠饭店 10 框架 箱形 3 20.0 8 深圳荔景大厦 26 框架-筒体 箱形 13 11.2 9 四川北海工行大厦 40 筒中筒 箱形 10 7.1 1.3 国 内 外 研 究 现 状 1.3.1 梁 式 转 换 层 的 研 究 现 状 [10] 徐培福 采用 1 栋 121.5m 高的高层框剪结构,利用有限元软件,分析转换 湘潭大学硕士学位论文 层设置层位对结构抗震的不利影响,结果表明:转换层设置在三层及以下时,层 间位移角不突变;而超过三层时,层间位移角突变,在设计时应控制上、下部楼 层等效刚度比。 [20] 张兰英 选用 1 栋 18 层的商住楼进行了动力时程分析,分析表明:转换层 上、下层附近易形成薄弱层;弹性阶段,层间侧移变化与结构刚度分布相关;弹 塑性阶段,楼层屈服强度是影响结构承载能力的主要因素。 [21] 黄勤勇 选用 1 幢高为 100.5m 的高层建筑进行研究,分析了改变落地剪力 墙厚度对结构承载能力的影响,结果表明:落地剪力墙墙厚加厚,结构承载力提 高,结构侧移减少。 [22] 娄宇 通过对 1 榀 1:4 上部带开洞剪力墙的大梁的分析,探讨了梁式转换层 结构受力特征和破坏机理,提供了相应设计建议。 [23] 赵恒晶 选用 1 栋 32 层带高位转换层的框支剪力墙结构为研究对象,进行 静力非线性分析,分析表明:结构薄弱层的位置可以通过塑性铰的分布来判 断; 罕遇地震作用下,结构延性可以用静力弹塑性分析结果表征。 [24] Lee 用 1 个 1:12 底部框架上部剪力墙结构模型,进行振动台试验研究,结 果表明:转换层变形为弯剪变形,试验得出的因倾覆所产生的柱轴力与理论计算 结果吻合较好;柱子承担的轴力会影响底层框架柱的抗剪能力。 [25] Hosoya 用 2 个 1:17 的 11 层带转换层高层结构模型,进行了振动台试验, 结果表明:单方向输入地震波的模型,转换梁出现弯曲破坏;双向输入地震波的 模型,上部墙体和转换梁共同弯曲破坏,转换梁的抗剪强度理论计算值与单向输 入试验值吻合较好。 [7] Lee 对 3 个带转换层高层结构模型进行了振动台试验研究,结果表明:与 UBC97 和 AIK2000 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 相比,结构周期与经验值接近;从破坏时吸收能量的角度 考虑,3 个模型相差不大;转换层上部结构相对于底部框架会产生转动。 [27] Li 选用1栋7层框架教学楼,用ETABS软件进行静力分析,得出了楼层平均 变形率和最大层间位移比,可用于低位转换层结构延性设计。 [28] Esteva 对1个首层刚度较小的多层框架进行动力时程分析,结果表明:首层 刚度小的多层框架结构延性需求较大,结构存在安全隐患。 1.3.2 桁 架 式 转 换 层 的 研 究 现 状 [29] 刘劲松 用 3 个带高位钢桁架转换层高层结构进行比较分析,结果表明:转 换层层位由第 3 层逐层增加到第 9 层,振型变化不明显;转换层层位提高,地震 作用力在转换层处明显增大。 [30] 张誉 对高层梁式和空腹桁架式转换层结构进行了试验探究,研究结果表 明:空腹桁架式转换层结构的性能如延性较梁式转换层好。 4带高位厚板转换层钢筋混凝土框筒结构地震反应研究 [28] 吕西林 选用上海 1栋高度为 250m的框筒结构为研究对象进行振动台试验, 结果表明:转换层为结构薄弱层;在七度设防烈度地震作用下,主体结构基本完 整,而在八度罕遇地震下,结构出现破坏,应加强转换层及桁架节点的抗震设计。 [31] Aydin 研究了5,10,20层竖向质量不规则的框架结构弹塑性地震响应。结 果表明:线性阶段静力分析方法比时程分析法偏向于安全。 [32] Sarkar 针对竖向不规则框架结构,提出了质量和刚度突变的定量影响分析 方法,指出不规则指标是缩进式竖向不规则结构的可用量化参数。 1.3.3 板 式 转 换 层 的 研 究 现 状 [33] 唐孟雄 以广州嘉和苑 1 栋 59.15m 高的双塔楼板式结构为工程背景,研究 了转换板厚度的影响,分析表明:转换板的厚度的增加,层间位移角减少,转 换 板厚度的增加会对下部楼层抗震不利。 [34] 钱长根 通过算例分析转换板厚度的变化对结构动力特性和抗震性能的影 响,提出了厚板转换层结构的设计建议:结构自振周期不会因为转换板厚度 的变 换而变化,但板厚增加会导致地震作用更明显,对层间位移影响较大。 [35] 荣维生 以厦门安宝大厦为工程背景,采用振型分解法和时程分析法,对设 计的 3 种模型进行了比较分析,得出转换层设置层位低于四层时,等效侧向 刚度比 的取值在 0.5~1.0 之间。 [36] 彭斌 用实体单元建立了 ANSYS 模型,通过对配筋方式进行分析得出:选 择实体单元建模更符合实际情况。 [37] 林金 以成都华威商住大厦为工程背景,介绍了可以满足底部大空间的措 施:调整竖向刚度;简单介绍了上部短肢剪力墙的设计 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 。 [38] 张家华 选用南京娄子巷高层公寓四期工程为工程背景,对回型刚性板式转 换层结构的刚度需求问题,展开了计算和分析,得出回形刚性板式转换层能 实现 高层建筑上、下相邻层的转换,并给出了确定板厚度的方法。 [39] Su 通过研究结构地震响应的影响因素和变化规律,提出了通用的地震易损 性指标。 [40] Kuang 采用有限元法研究了转换板与上部墙体的共同作用,当转换板上部 带满跨墙体时,应考虑转换板与上部墙体的共同作用。 1.4 目 前 研 究 存 在 的 问 题 [42] 我国抗震规范 只建议在非抗震设计和 6度抗震设计时采用厚板转换,7、8 度区抗震设计的地下室的转换构件可采用厚板。由于带高位厚板转换层高层 结构 的抗震设计研究还不太成熟,其在高烈度区的应用在国内受到了较高的限制, 但 实际工程已有不少。这表明此类结构体系的理论研究已经滞后于工程应用。目前湘潭大学硕士学位论文 带高位厚板转换层混凝土框筒结构的弹性地震反应研究已有些报道,而其弹塑性 地震反应的研究鲜有文献报道。结构进入损伤屈服阶段后,结构的非线性不成比 例发展的地震弹塑性反应是识别结构薄弱部位,开展抗震控制设计的关键。因此 研究其地震弹塑性反应是相当必要的一项工作。 1.5 本 文 研 究 内 容 本文选用简化的实际高层混凝土框筒结构为研究对象,在 SATWE 和 PMSAP [43] 地震弹性分析和设计的基础上,采用分析软件 Etabs 和 Canny 对带高位厚板转 换层的框筒结构进行地震响应分析,主要内容如下: 1 第 1 章介绍了研究背景及意义,国内的研究现状及带转换层结构目前研 究存在的问题。 2 第 2 章介绍了结构地震动弹塑性动力响应的时程分析方法及非线性分析 程序。 3 第 3 章研究了带高位厚板转换层钢筋混凝土框架核心筒结构的弹性地震 反应。采用振型分解反应谱分析方法,通过参数分析研究地震强度水平、转 换层 层位、转换板厚度和下部结构刚度变化对结构振动周期、层间位移和楼层剪力等 结构弹性反应的影响。 4 第 4 章研究了带高位厚板转换层钢筋混凝土框架核心筒结构的弹塑性地 [44] 震反应。通过非线性动力时程分析,采用软件 SeisMomatch 将原始选用 1999 [45] 年台湾集集地震的 10 条匹配为中硬土场地特性360V 800m/s,EC8 的记录, s 探讨地震强度水平、转换层层位、转换板厚度、下部结构刚度和楼层屈服承载力 变化对层间位移和楼层剪力等结构弹塑性反应的影响。 6带高位厚板转换层钢筋混凝土框筒结构地震反应研究 第 2 章 结 构 地 震 动 响 应 分 析 方 法 与 非 线 性 分 析 程 序 2.1 前 言 结构的地震响应是指地震引起的结构振动,它包括地震在结构中引起的速度、 加速度、位移和内力等。抗震研究方法的发展过程一般可认为是从静力理论到动 力理论的一个过程,静力理论或者反应谱分析比较适合分析地震等级低的抗 震分 析,因为结构处于线性工作状态,当处于强震作用下时结构往往进入了非线性工 作状态,单纯的线性分析已经不能满足抗震分析的需要。在实际应用过程中,弹 塑性分析可分为弹塑性静力分析pushover和弹塑性动力分析时程分析两大类。 弹塑性动力时程分析方法始于 20 世纪 50 年代,是直接输入地震波并计算结构地 震反应的分析方法。弹塑性动力分析方法比较接近结构受到实际强震作用时,内 力以及变形变化的全过程,即从弹性-开裂-屈服-倒塌的过程。从而能够指导抗震 设计,能够合理的利用材料的屈服阶段,保证建筑物在大震作用下的抗震安全。 本章就弹塑性动力时程分析法,阐述了结构振动模型、地震动方程的建立、 地震波选取和地震方程积分求解的基本内容。在此基础上,简单介绍地震弹塑性 动力响应计算机分析程序,如 ABQUS、 ANSYS、 DRAIN-2D、 SAP2000、 OPENSEES 和 CANNY 等。 2.2 结 构 地 震 动 弹 塑 性 动 力 响 应 的 时 程 分 析 法 [46, 47] 时程分析法 ,亦称直接动力法,又称动态分析法,是输入实际的地震动 记录,利用用于计算的恢复力特性曲线,通过步步积分法求得地震动加速度随时 间的变化全程中内力和位移的变化轨迹图。由于可以清晰的看到全过程内力和位 移的变化(开裂-屈服-倒塌),方便设计人员进行规范要求的结构的承载力验算以 及变形验算。时程分析法计算工作十分繁重,必须借助计算机才能完成。我国抗 [43] 震规范 规定,对于特别不规则的建筑、甲类建筑等,应采用时程分析法进行多 遇地震作用下的补充计算。本篇论文研究的带高位厚板转换层框筒结构即属于此 范畴。该方法涉及结构计算模型、地震波的选择和逐步积分方法等一系列问题, 下面将予以介绍。 2.2.1 结 构 振 动 模 型 结构振动分析模型可以分为整体分析模型和构件非线性单元分析模型。结构 整体模型主要分为层模型、杆系模型和杆系-层模型三种。从构件层次看,常用的 钢筋混凝土构件非线性分析单元包括微观单元和和宏观单元。微观模型主要可以 7湘潭大学硕士学位论文 分为分离式、组合式和整体式。宏观模型是以结构中的各构件为基本的非线性分 析单元,常用的宏观单元有集中塑性铰单分量模型和集中塑性铰多分量模型;分 布塑性区杆单元和分布柔度单元等。对大型结构进行非线性分析时,一般采用上 述构件的宏观模型。因本文着眼于整体结构地震响应宏观规律的探究,涉及大量 的数值分析工作,采用结构整体模型较为方便,且计算速度快,整体结构模型的 分类有以下几种。 1 层模型 [47] 层模型又叫糖葫芦串模型 ,每层的质量可以当做糖葫芦,每层的侧移刚度 表示竖向杆的刚度,将其串联成多自由度模型,如图 2.1 所示。计算单位取楼层, 楼层侧移刚度和层剪力的关系可以通过层恢复模型进行反映。其基本假定如下: a 假定平面内刚度在每层楼板处是无穷大,同一楼层各竖向构件侧向位移 在水平地震作用下一样。 b 结构的刚心和质心重叠,不考虑扭转影响。 如图 2.1 所示可知,一般层模型分为三种,即剪切型、弯曲型和弯剪型。剪 切型的层模型侧移曲线表现为自下而上层间位移是减少的;弯曲型的层模型侧移 曲线表现为自下而上层间位移是增大的;而弯剪型的层模型侧移曲线是剪切型和 弯曲型的组合。在实际结构形式中,一般认为强梁弱柱型框架结构为剪切型,剪 力墙结构为弯曲型,框架-剪力墙结构为弯剪型。但是在结构变形的判断中,各种 变形分类不是绝对的,剪切型也有弯曲变形,弯曲型也有剪切变形。 层模型简单明了、求解效率高,在进行楼层参数分析,研究结构地震反应宏 观规律如检验结构在罕遇地震下薄弱层部位具有明显优势。但该模型不能确定结 构各个杆件单元的内力和变形,难以进行细化评估。 2 杆系模型 视结构为杆件体系如图 2.2,将结构自然离散为梁、柱和墙等基本单元,并 作为基本计算单元,杆件的质量简单的处理为分布在节点,或者对于较大的质量 杆单元可以将其划分为质量较小的质量单元。先研究这些计算单元的基本特性, 再将其组成结构整体模型进行计算。采用杆系模型进行有限元分析时,通常都会 把梁、柱等构件模拟成常用杆件单元,而剪力墙则模拟成有刚域的杆或者薄壁杆 件。 与层模型相比,杆系模型能考虑各个构件逐步进入弹塑性反应状态的过程及 其对整体反应的贡献,也可以模拟结构在受力过程中每个基本单元的屈服情况, 这样就可以很快的很清楚的了解结构最先破坏的部分,对症下药设置必要的抗震 构造措施。由于每个杆件都清晰的计算导致整个计算过程繁杂,计算用的时间比 较长。 3 杆系-层模型 8带高位厚板转换层钢筋混凝土框筒结构地震反应研究 杆系-层模型充分利用了杆系模型和层模型的优点。跟层模型一样将每层质量 简化到楼层处,利用层模型建立方程组,选择恢复力模型选择杆件恢复力模型, 不仅可以减少计算时间,也能得到楼层的层间剪力和变形以及确定各杆单元的内 力变形情况,但是由于采用的是较为简单的刚性楼板假定,计算精度比不上 杆系 模型。 m n m i m 2 m 1 层 模 型 弯 剪 型 剪 切 型 弯 曲 型 图 2.1 层模型及其分类 图 2.2 杆系模型 综上所述,本文致力于研究带高位厚板转换层钢筋混凝土框筒结构整体模型 地震响应的规律探寻,涉及大量的数值分析。综合比较,选用杆系模型对于结 构 宏观参数分析能得到较为合理的结果。湘潭大学硕士学位论文 2.2.2 结 构 地 震 动 方 程 的 建 立 [48] 1 地震动输入结构振动方程 本章以剪切型多自由度体系 层模型为例,根据达朗贝尔原理和动平衡法原 理,取惯性力作为等价荷载,逐一对每个质点取隔离体,按静力平衡原理建立 动 力平衡方程如图 2.3,从而了解结构地震动方程的建立。 m n f s i ut f i m i m i f c i m 2 m 1 u t g 图 2.3 剪切型多自由度体系动平衡法原理 一般来说,任意质点上的作用力有弹性恢复力 f 、阻尼力 f 、惯性力 f 及 外 si ci mi 力 pt。故质点动力平衡方程可以表示成 2-1 f + f + f + pt 0 si ci mi 其中,f 是刚度系数与位移的乘积,其方向与位移方向相反; f 为当采用粘滞阻 si ci 尼理论时阻尼系数与速度之积,与速度方向相反;f 为质量与其加速度的乘积且 mi 与加速度的方向相反;对于地震动而言,外力 pt相当于 m u t。故式2-1可以 i g 整理为 n n m u? t + k u t + c ut ?m u? t 2-2 ? ? i i ir i ir i i g r 1 r 1 其中,u t为质点 i 的相对位移;m 为质点 i 的质量;u t为地面水平位移; k i i g ir 为除了第 r 个和第 i 个质点以外,第 r 个质点产生单位位移时第 i 个质点产生的弹 性反力;c 为除了第 r 个和第 i 个质点以外为零,第 r 个质点产生单位位移时第 i ir 个质点产生的阻尼力。 写成矩阵格式,即为 [M ] u?t + [C] u ?t + [K ] ut ?[M ] I u? t 2-3 g 10带高位厚板转换层钢筋混凝土框筒结构地震反应研究 其中, [M ]、 [C]和 [K ]分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵; t为单位 1 矩阵; u t为地面水平位移。 g 2 质量矩阵 多自由度体系模型集中质量矩阵是按照简化的方法将质量集中到每层的一 点,这样就导致位移矩阵和质量矩阵成为了对角矩阵。如果把问题简化成单向水 平地震忽略扭转带来的扭矩, m层的结构的质量矩阵可以简化成下式表示: m? 1? M 2-4 [ ]? mm式中,mi对应于第 i 个节点平移自由度的质量。 3 刚度矩阵 剪切型层模型结构侧移刚度矩阵可表示为 k + kk? 1 2 2k k + kk 2 1 2 3? K 2-5 [ ] k k + kk n?1 n?1 n n k kn n 式中,k 为第 n 个质点的楼层侧移刚度。 n 4 阻尼矩阵 阻尼是能量的耗散作用,不是虚拟的,而是在建筑抗震设计时,需要在建筑 结构中设定的。它能够吸收地震来临时因结构进入塑性状态而产生的塑性变 形能 [49] 量。迄今为止,研究者提出了很多种确定结构阻尼的方法 。主要有刚度比例 阻 尼、质量比例阻尼、 Rayleigh 阻尼、常数阻尼、振型阻尼等。工程中应用 较广的 是 Rayleigh 阻尼,其表达式为 [C] α[M ] + β[K] 2-6 其中: [C]是阻尼矩阵, [M ]是质量矩阵, [K]是刚度矩阵; α 是设置与质 量成比例 的系数 ; β 设定与刚度成比例的系数 。2 ξ wξ w i j j i α w wi j 2 2 wwj i 2-72 ξ wξ w j j i i β 2 2 ww j i式中: ω 、 ω 分别表示结构第 i、 j振型频率; i j湘潭大学硕士学位论文 ξ 、 ξ 分别表示结构第 i、 j振型阻尼比。 i j 2.2.3 输 入 地 震 波 的 选 择 选择合理的地震波输入对于结构分析极其重要。地震波有很大的不确定性, 实际的观测结果表明:地震波记录随意性大,而在分析中选择地震波不合理 就会 导致计算结果有很大差异,没有参考价值。在进行弹塑性计算时,选择最接近实 际情况的地震记录对于分析结构受力过程,提出相应的抗震设计建议是很有意义 的。 结构时程分析的地震波常分为以下三种: a 典型的历史强震记录; b 拟建场地的实际地震动记录; c 人工模拟地震波。 其中,典型的历史强震记录是指过去发生过的类似于拟建场地的实际地震记 录。目前已经收集了较多的强震记录,如埃尔森特罗波、塔夫特波、天津波等, 实际工程应用较多的是这种波。第二种波虽然较为理想,但是鉴于拟建场地常没 有实际强震记录供使用,在实际工程中难以应用,且即便有,也不能完全反映未 来发生的地震状况。人工模拟地震波是根据随机振动理论人工合成的的符合所需 统计特征的地震波。但介于这种人工合成的地震波并非实际情况的地震波,且关 于它的研究就目前来说并不成熟,所以并不能代替实际的地震波作为分析用途, 只能作为参考手段。 选取地震波的合理情况对于分析结构具有举足轻重的意义,如何合理选择成 为了最大问题,一般在保证数量的基础上尽可能在振幅、频谱特性、持久时间上 选择合理的地震波。 1 振幅 控制地震动频谱中加速度的最大值与结构设防烈度的加速度最大值相近,如 果不一样应该用相应的软件做地震匹配,使之符合实际情况。 2 频谱特性 频谱特性是指包括反应谱形状、峰值、卓越周期等众多因素在内的特征。为 更合理地选择地震波,震中距和卓越周期应与实际场地情况一致应注意。 3 持时 选择持续时间时尽可能选择时长较长者,因为在结构的破坏中往往是由于持 续受到地震力导致材料不断重复出现屈服从而导致疲劳破坏,更具有工程分析意 义。工程中确定持时的原则是:应包含地震动记录最强烈的部分在内;一般可考 虑持时为结构基本自振周期的 5~10 倍;弹性分析持时可以取短些,弹塑性分析 持续时间可以取长些。 12带高位厚板转换层钢筋混凝土框筒结构地震反应研究 4 输入地震波的数量 [44] 我国新版抗震规范 规定应按场地类别和设计地震分组选用实际强震记录 和人工模拟的加速度时程曲线,且实际强震记录的数量不应小于总数的 2/3。 2.2.4 地 震 动 方 程 的 直 接 积 分 法 弹塑性动力方程的数值求解主要采用直接积分法,包括分段解析法、中心差 分法、平均加速度法、线性加速度法、 Wilson - θ 法和 Newmark - β 法。 由于本文采 用的是 Newmark - β 法,以下仅详细介绍该方法。 1 基本假定? a 在微时间段Δtt -t 内,质点加速度 u 是呈线性变化,即 j+1 j u uu? j+1 j j u 常量 2-8 j ?t ?t b 在区段 ?t内,假定结构的刚度、阻尼和加速度不变化。 2 方程推导 结构动力方程增量式可表达为 M ?u? + C ?u+ K ?u M ?u? 2-9 [ ] [ ] [ ] [ ] g j j j j为确定 ?u 和 ?u ,将位移 u 、速度 u 展开成泰勒级数,得 j j uu u? j j j 2 2 u u + ?t + ?t + ?t +2-10 j+1 j 1! 2! 3!? u u j j 2? 2-11 u u + ?t + ?t + j+1 j 1! 2! 将式2-8代入式2-10和式2-11,忽略 ,整理得 高阶影响 1 1 1 2 2 22-12 u u + u ?t + u ?t + u ?tu ?t j+1 j j j j+1 j 2 6 6 1 1 u u+ ut + utut 2-13 j+1 j j j+1 j 2 2 用β代替式2-12中 1/6;用α代替式2-13中 1/2,整理得 1? 2 2u u ?t +β u ?t + β u ?t 2-14 ? j j j j+1 2?u + 1? α u ?t + α u ?t 2-15 j j j+1湘潭大学硕士学位论文 由式2-14可得u u 1 1 1 j j?u ? u 2-16 j j 2 β ?t β ?t 2 β 将上式代入2-15得 u α α α j?u u ?1u ?t 2-17 j j j β ?t β 2 β 将式2-16、式2-17代入式2-9可得1 α? 1 1[M ]+ [C]+[K ] ?u ?[M ]?u? + [M ] u ? + u?? j gj j2 β?t β?t β?t 2 β2-18? αα+ [C] u ? + ?t ?1 u?? j? j β 2 β令 1 α2-19 [K ] [M ]+ [C]+[K ] j 2 β?t β?t1 1?P ?[M ]?u +[M ] u + u j g jj jβ?t 2 β? 2-20α α + [C] u ? + ?t ?1 u?j? jβ 2 β则有? [K ] ?u ?P 2-21 j j? 上式称为拟静力增量方程, [K ] 为拟静力刚度矩阵; ?P 为拟静力荷载向 j j 量。由式2-20可知,拟静力荷载向量 ?P 与地震加速度增量 ?u , u 和 u j g j j j 相关。 确保计算的准确性,通常采用式2-22,其由增量动力平衡方程式2-9转换 而来。 ?1 ?u? ??u? ?[M ] [C] ?u+[K ]?u 2-22 j g j j 求得 ?u 、?u 和 ?u 后,t 时刻结构的位移、速度和加速度可由式2-23 j+1 j j j 求解得到。 14带高位厚板转换层钢筋混凝土框筒结构地震反应研究 u u +?u? j+1 ju u +?u 2-23j+1 ju u +?u j+1