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框筒结构在地震作用下剪力滞后及塑性耗能之土木工程分析

来源: jordan118.com 作者:vicky 发布时间:2020-01-09 论文字数:46524字
论文编号: sb2019121712490128905 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是一篇土木工程论文,本文研究的意义就在于系统分析了影响结构性能的因素,并且从内外因两个方面分析结构在罕遇地震作用下的弹塑性性能。

1. 绪论

1.1  立题背景、研究意义及当下研究现状
1.1.1  立题背景
我国是人力资源丰富的大国,近年随着国家整体经济地腾飞,城市化发展迅速,一些大型城市出现了所谓的“城市病”,城市土地资源日益稀缺,但是大城市的聚集效应使得大量的人口涌入城市,这就催生了社会对于高层建筑的迫切需求,框筒结构作为高层结构形式之一逐渐受到青睐。 近几年,我国的高层建筑不断涌现,市场的需求推动人们对高层结构的不断探索。合理的高层结构应该通过平面布局以及竖向的刚度变化使结构达到最优状态,满足其正常使用状态和承载力极限状态的要求。
1.1.2  研究意义
因受到欧洲、印度洋、太平洋三大板块的挤压,我国处于两大地震带“环太平洋地震带”和“喜马拉雅—地中海地震带”之间,是地震多发国家,历史上受到了多次强震灾害。进入 20 世纪,我国大陆地区发生了 8 级以上地震 9 次,7~7.9级地震 65 次,使人民的生命和财产受到了重大的威胁。世界各国同样饱受震害之苦,1964 年美国阿拉斯加 8.4 级地震、日本关东 7.9 级地震,均对建筑结构产生破坏,甚至使一些结构发生倒塌。值得一提的是 1972 年尼加拉瓜大地震(6.5级)使工程师以及科研工作者深刻的体会到结构刚度和震害的关系,十五层的中央银行由于刚度分布对抗震不利,导致结构在震后虽然未倒塌,但是发生了不可逆转的损伤,终究难以逃脱震后拆除的命运。
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1.2  国内外研究现状
高层结构需要充分考虑抗侧刚度的变化规律对结构性能的影响,当前通用的措施是刚度自底向上逐渐减少的形式。框筒结构属于高层结构的一种,其采取成束筒的形式,也就是多个筒体的组合,在一定高度逐渐减少筒的数量,达到合理分布质量,减轻震害的作用比如美国的希尔斯大厦。
框筒结构的简化计算方法有:张大勇、施养杭[8]将整体变形分为剪切和弯曲变形,用修正过的 D 值法考虑结构的受力和变形,引入剪力滞后效应,对框筒结构简化计算方法,分析其承受不同侧向力作用下的整体弯曲变形。王海波、陈伯望、沈蒲生[9],假定轴向位移分析结构的整体变形,简化变形以及内力的计算,考虑了剪力滞后的影响,分析了影响结构位移的因素。刘开国[10]用连续模型和变分原理导出高层框筒结构的微分方程,以每个相同层作为一个单元,并导出三种矩阵进行计算。沈蒲生、孟焕陵[28]通过研究发现在不增加材料使用量的前提下,对结构采用不同的布置方法,  使用有限元软件分析结构各整体指标。结果表明如果要改善结构的受力性能则通过构件截面的合理分配就可以达到。 剪力滞后是结构的固有现象,不可忽视。高雁、李正良[24]认为结构的剪力滞后与楼板的变形、位移相关,因为角柱的翼缘作用,使得其相对于中柱的抗侧刚度大很多,所以刚度差异较大导致了各柱弯曲变形各异,从而导致了结构受力不均与剪力滞后效应。本方法充分考虑了楼板在整体分析中的作用,从而得出结论,剪力滞后以及连梁的剪切变形都是因为抗侧刚度不均所导致的楼板翘曲的结果。
对高层结构进行在罕遇地震作用下的塑性性能分析十分必要,当下的研究主要集中在对结构的损伤评估上,基于塑性变形和累积塑性耗能参数,用数值拟合的方式建立框筒结构损伤评估公式。Park Y J[27]等人最早提出两参数模型,用于结构的损伤评估。杜修力等人[27]对两个超高层钢框筒进行有限元分析,利用两个参数拟合出损伤评估公式,然后利用计算结果与有限元分析的结果对比,验证其有效性。
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2. 变截面框筒的受力变形分析

2.1  前言
在现代高层建筑中,结构的侧向位移已经变成结构的主要矛盾。控制侧移可以确保竖向交通系统的正常运行,避免非结构构件的破坏,避免 P-Δ 效应产生的附加弯矩,同时也可以减小混凝土结构的损伤从而缓解因变形过大导致结构开裂的刚度降低。
高层建筑的侧向力分为地震作用和风荷载,通常来说在北方建筑受地震作用控制。地震力是一种惯性力,即力的大小与结构的质量息息相关,最佳的质量分布是从下到上逐渐减小,从而减小上部的力和产生的力矩,减弱地震作用。实现这种设计理念的方法分两种(1)自下而上的减小构件的截面尺寸,减弱结构的抗侧刚度,降低结构的质量(2)采用新型的轻质材料或者组合结构,上海中心核心筒外的楼板皆采用混凝土与压型钢板的组合,成功降低了楼板的厚度,减轻了自重。
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2.2  变截面框筒性能分析
2.2.1  框筒的变形规律
框筒结构的受力变形性能,相当于实腹筒结构开了很多规则的洞,在实际框筒结构设计中,我们为了简化计算可以假设将三维结构倒退为一维,也就是将结构视为悬臂杆件,类似于箱型截面[11]。
由于剪力滞后效应使截面不再满足平截面假定,从而削弱了结构的空间性能,所以引入剪力滞后参数考虑结构整体抗弯刚度的削弱。利用修正后的截面抗弯刚度,近似考虑结构整体的弯曲变形性能。
而且,剪切型变形底部最大,而变刚度结构底部刚度最大,虽然向上逐渐减少,但是剪力以及剪切变形同时减小,而且实际结构的刚度变化是阶梯型的,足够包络住刚度变化曲线,所以当结够顶部与底部保持一定的刚度关系时(ζ≥5.0时),假设应当满足。
根据文献[12],给出了粗略估算结构的简化方法,就是将框筒简化为两个槽型悬臂构件。结构抵抗水平力产生的倾覆力矩的能力主要是由截面惯性矩大的部分提供的,就框筒结构来说,翼缘部分承担倾覆力矩的主要部分,所以认为结构变形以翼缘的弯曲变形为主[13]。
三种不同荷载作用下,剪力的变化规律也是如此,所以最好的结构形式仍然是构件尺寸由下向上逐渐降低。通过弯曲变形得到的定性结论任然适用,在实际工程中,只要以结论规律作指导,并且符合规范,通过多方案的对比就可以设计出性能优良的结构。
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3.  框筒结构的剪力滞后分析 ................................. 42
3.1  前言 ............................ 42
3.2  剪力滞后理论分析方法 .................................... 42
3.2.1  基于能量的变分原理分析 ............................ 42
3.2.2  剪力滞后简化计算方法 ............................... 44
4.  框筒结构时程分析以及耗能损伤研究 .................................. 54
4.1  前言 ................................. 54
4.2  基本信息 .................................... 55
4. 2.1  研究方法 ................................. 55
4.2.2  地震波的选择 ........................ 56
5.  结论与展望 .................................. 77
5.1  结论 ....................................... 77
5.2  展望 ................................. 77

4.  框筒结构时程分析以及耗能损伤研究

4.1  前言
前文着重介绍了结构处于弹性状态下,在承受侧向荷载作用时结构的侧向刚度变化规律以及楼板对结构空间整体性能的影响,以上两点均考虑了剪力滞后的效应,从而的出结论以期能对实际工程起到借鉴作用。
框筒结构的连梁对结构整体性以及罕遇地震作用下的塑性变形耗能有很大影响。连梁的截面刚度主要取决于其截面高度,连梁的刚度合理分布不仅可以使其满足使用要求,而且增加结构的经济性。结构在其他条件不变的情况下,增加梁高会使得结构的各阶周期减短,即增强结构的整体刚度,由上文可知,结构的剪力滞后主要发生在底部大约 1/3 处,所以全楼采用相同高度的梁似乎不太合理,科学的做法是在底部加大梁截面高度,而在上部剪滞较弱处减小梁截面高度。以求其经济性。
本章着力于模拟框筒结构在罕遇地震作用下的变形以及耗能情况,建立四组对照模型,分别在由规范选出的三条地震波作用下分析各自的塑性耗能以及连梁损伤等情况,从而分析连梁对框筒结构的弹塑性变形耗能能力的影响。
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 5.  结论与展望

5.1  结论
本文在理论分析和数值模拟综合研究成果得出以下结论:
(1)第二章通过引入三种在推覆分析中常见的水平力荷载,考虑框筒结构的三种不同剪力滞后系数,经对比计算,结构的侧向刚度按照三次曲线变化时较优,其在相同荷载(形式及大小)作用下结构顶点侧移和转角最小。
(2)第三章系统性的介绍了框筒结构的剪力滞后的成因,分析是由于抗侧刚度不均导致边缘处楼板翘曲较大,导致了剪力滞后效应。经数值模拟,证实了楼板翘曲变形对剪滞的影响,当楼板厚度增大时(其他条件不变),翼缘各柱轴力与角柱轴力差距逐渐减小,同时,通过经济性分析得出结论,楼板厚度不宜过大,故得从整体角度考虑各种变量对结构的影响。
(3)第四章系统介绍了所用到的有限元程序,模型以及材料的本构模型,并且根据规范选出一组地震波进行分析。经两组模型对比分析,得到连梁在底部1/3 范围内损伤最为严重,并且向上逐渐减小,并且发现连梁截面越大其刚度越大相同地震波输入能也就越大,因此得出应当将连梁截面合理分配的理念,通常是底部最大向上递减。
利用模型三,从 PGA、AI 指标、强震持时三个角度分析其与结构损伤之间的关系,发现 PGA、AI、二者与损伤正相关,而与强震持时呈反比。
参考文献(略)

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