帶轉(zhuǎn)移層的高層建筑結(jié)構抗震性能研究（可編輯）

帶轉(zhuǎn)移層的高層建筑結(jié)構抗震性能研究分類號??密纓學校代碼曼壘空劣海程歹大穿研究生姓名??蔡廣亮教授指導教師姓名??主塑職稱碩士申請學位級別學科專業(yè)名稱繾拉墨猩論文提交日期生月論文答辯日期生月學位授予單位蹙墊墨蘭盤堂學位授予日期??答辯委員會主席√壘暈閱人于三主歪一年月獨創(chuàng)性聲明本人聲明，所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得武漢理工大學或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說學位論文使用授權書本人完全了解武漢理工大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電允許論文被查閱和借閱。本人授權武漢理工大學可以將本學位論文的全部內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存或匯編本學位論文。同時授權經(jīng)武漢理工大學認可的國家有關機構或論文數(shù)據(jù)庫使用或收錄本學位論文，并向社會公眾提供信息保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定研究生簽名，涔伽導師簽名呻姒醐班脅了Ⅱ武漢理工大學碩士學位論文摘要面對城市土地資源日益緊缺，如何綜合利用土地，提高土地利用市建設必須解決的重要問題之一，研究表明解決此類問題可采用以下兩種途徑：一、建設綜合性建筑，例如商住樓以及商業(yè)辦公樓；二、合理利用地鐵車輛段上部空間，一方面可以利用其上部空間進行地鐵配套設施以及商業(yè)、辦公、社會保障性住宅等配套設施的多層次開發(fā)建設，另一方面可充分利用地鐵的物業(yè)開發(fā)價值，彌補地鐵建設、運營的資金缺口，使地鐵步入建設、運營、再建設的良性循環(huán)。本文中工程實例屬于采用第二種解決途徑的結(jié)構形式。當建筑物上部樓層為常規(guī)建筑用房，而底層為需要較大空間的公共用房或設置汽車、人行通道、甚至有火車軌道、站臺穿過，均需要進行結(jié)部大空間以滿足建筑功能的需要。具有轉(zhuǎn)換層的結(jié)構屬于豎向剛度不規(guī)則結(jié)構，當豎向剛度出現(xiàn)特別不規(guī)則研究此類結(jié)構的抗震性能還存在欠缺，本文具體工作如下：.概述了轉(zhuǎn)換層結(jié)構的形式以及各自適用特點，探討了轉(zhuǎn)換層未來發(fā)展趨.比較分析了結(jié)構抗震靜力階段、反應譜階段以及動力階段的特點和底部剪力法、振型分解反應譜法和時程分析法等彈性設計方法。.討論了基于性能設計的抗震理論及主要的設計方法，探討了靜力彈塑性分析以及動力彈塑性分析這兩種設計方法主要實施過程。.以某地鐵上蓋結(jié)構為例。首先了解結(jié)構的動力特性，通過靜力彈塑性分析結(jié)果與動力彈塑性分析結(jié)果比較，對結(jié)構在地震作用下的響應特性進行分析，對結(jié)構抗震性能進行了評估；最后本文分析了轉(zhuǎn)換層處樓板的內(nèi)樓板的抗震性能。.在總結(jié)全文工作的基礎上，對進一步研究提出了建議和展望。并為同類的結(jié)構體系進行抗震設計提供參考。..仃武漢理工大學碩士學位論文咖鵬武漢理工大學碩士學位論文目錄摘荽.第章緒論?..概論?一.轉(zhuǎn)換層結(jié)構的分類與主要形式??..轉(zhuǎn)換層結(jié)構的發(fā)展趨勢??..梁式轉(zhuǎn)換層的研究和研究現(xiàn)狀??..本文的主要工作??.第章結(jié)構抗震分析理論與計算方法??..結(jié)構抗震理論的發(fā)展...靜力理論階段?..反應譜階段..動力理論階段?.結(jié)構抗震設計的計算方法?...底部剪力法?...振型分解反應譜??...時程分析法?..本章小結(jié)第章基于性能的抗震設計理論.靜力彈塑性方法分析??_..基本原理??...基本假定??...水平力分布模式??.方法?....性能評價??..動力彈塑性分析..結(jié)構動力方程的建立?....?...結(jié)構運動方程的求解...結(jié)構的力學模型??...構件的恢復力模型?.武漢理工大學碩士學位論文..地震波選取?..結(jié)構分析方法選取?.本章小結(jié)第章實例分析..工程概述??....結(jié)構動力特性...模型有效性對比??..靜力彈塑性分析結(jié)果.時程分析結(jié)果..地震波的有效性??....多遇地震下時程分析計算結(jié)果??....罕遇地震下時程分析計算結(jié)果??...特殊構件的分析..轉(zhuǎn)換梁的抗震性能分析??。..轉(zhuǎn)換層樓板詳細分析...本章小結(jié)??.第章結(jié)論與展望...結(jié)論?.展望參考文獻?攻讀碩士學位期間參與的科研項目.第章緒論.概論近年來國內(nèi)各城市得到迅速發(fā)展，使得越來越多的人涌入這些城帶來的是土地緊缺問題，大城市出現(xiàn)這種情況更為嚴重。這使得現(xiàn)代建筑不僅在高度上發(fā)展，而且在建筑體型上朝著更加綜合性方向發(fā)展。這類建筑物的特點是在同一座建筑中，沿建筑物高度方向其使用功能發(fā)生改變：上部樓層布置旅館、住宅；中部樓層作為辦公使用；下部樓層作大型商場等服務娛樂場所使用。從建筑功能使用方面來看，上部需要小開問的軸線布置和需要較多的墻體以滿足旅館和住宅的使用要求；中部則需要小的或者中等大小的室定數(shù)量的墻體滿足辦公用房的使用要求；下部需要較大室內(nèi)空間，柱網(wǎng)大、墻體少，這樣滿足大型商場、酒店的使用要求。從常規(guī)結(jié)構布置角度來看，一般在高層建筑中，樓層的下部是受力較大的部擴大柱網(wǎng)。對比上述情況可知，實現(xiàn)建筑功能空間的要求和結(jié)構這是一種反常規(guī)的設計思路。為了實現(xiàn)這種思路，就必須在結(jié)構的某些層設置水上層旅館、住宅小空間?中層辦公樓中、小空間下層商業(yè)大空間圖.常規(guī)設計思路圖.建筑功能使用要求武漢理工大學碩士學位論文.轉(zhuǎn)換層結(jié)構的分類與主要形式從結(jié)構轉(zhuǎn)換的結(jié)果看，轉(zhuǎn)換層主要分為三大類的轉(zhuǎn)換功能：.上、下層的結(jié)構類型的改變。將上部的剪力墻結(jié)構通過轉(zhuǎn)換層轉(zhuǎn)換到下部的框架結(jié)構，實現(xiàn)結(jié)構形式的轉(zhuǎn)化。這種轉(zhuǎn)換形式主要應用于剪力墻和框支剪至層部分剪力墻轉(zhuǎn)換為框支柱，形成較大的內(nèi)部空間以便于設置成公共部分。.軸線位置及柱間距轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構形式不變，柱距擴大，形成底環(huán)向布置柱子，.同時轉(zhuǎn)換結(jié)構形式和結(jié)構軸線位置。深圳華融大廈，結(jié)構形式由塔樓采用框架核心筒轉(zhuǎn)換到裙房采用混凝土框架架構；柱間距由.轉(zhuǎn)換到.,實現(xiàn)軸線位置的改變。根據(jù)不同的建筑功能要求以及結(jié)構形式的不同，轉(zhuǎn)換層可分為多種結(jié)構形.梁式轉(zhuǎn)換層梁式轉(zhuǎn)換層一般是采用巨大的鋼筋混凝土大梁作為轉(zhuǎn)換構件，將上部荷載傳遞給下部剪力墻或框架。通過改變上下結(jié)構形式或者上下柱網(wǎng)間部空間。梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構是目前在高層建筑中實現(xiàn)垂直方向轉(zhuǎn)換的常用結(jié)構形式，傳力途徑采用墻柱轉(zhuǎn)換梁柱墻。梁式轉(zhuǎn)換層具有傳力途實際工程的應用比較廣泛。.桁架轉(zhuǎn)換層要較大尺管道等設備系彌補梁式轉(zhuǎn)換層的不足，還可以減輕構件自重、剛度，減小轉(zhuǎn)換層的地震作用，有利于提高結(jié)構的抗震性能。由于桁架轉(zhuǎn)換層的節(jié)點受力比較復雜，受力較大時會發(fā)生剪切脆.板式轉(zhuǎn)換層。梁式轉(zhuǎn)換層由于上述的很多優(yōu)點，使得目前國內(nèi)外高層建筑大多采用這種在樓層軸網(wǎng)錯開位置設置厚板，可以實現(xiàn)結(jié)構轉(zhuǎn)換。厚板轉(zhuǎn)換層特點是便于上部結(jié)構的布置，但是上部軸線錯開較多，使得厚板武漢理工大學碩士學位論文在豎向荷載和地震作用下，容易發(fā)生沖切破壞和剪切破壞；同時厚板施工中存在溫度效.箱形轉(zhuǎn)換層當上、下部結(jié)構的跨度相差較大時，采用梁式轉(zhuǎn)換或板式轉(zhuǎn)換已不容易滿足要求，這時一般會利用樓層實腹邊肋梁、中間肋梁和上、下層樓有較大剛度的整體空間結(jié)構。由于箱型結(jié)構空間剛度比較大，傳體工作性能好，其抗彎和抗剪能力較轉(zhuǎn)換梁有很大提高；箱型轉(zhuǎn)換結(jié)構的空腔部分可以兼做設備層，肋梁可以根據(jù)需要開設洞口，充分利用建筑箱型轉(zhuǎn)換層結(jié)構的缺點是箱型轉(zhuǎn)換上、下層剛度突變比較嚴重，不宜設置在樓層較高的部位，同時轉(zhuǎn)換結(jié)構豎向力較大，在大震下首先進入塑性狀態(tài)形成薄梁式轉(zhuǎn)換層厚板轉(zhuǎn)換層桁架轉(zhuǎn)換層箱型轉(zhuǎn)換層圖.轉(zhuǎn)換層類型.轉(zhuǎn)換層結(jié)構的發(fā)展趨勢隨著現(xiàn)在建筑行業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)有的轉(zhuǎn)換層結(jié)構形式有時不能滿足需要從材料和結(jié)構形式進一步進行改善轉(zhuǎn)換層結(jié)構的性能，目前帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面：.鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換層的應用由于建筑物的高度不斷增加，相應轉(zhuǎn)換層結(jié)構中轉(zhuǎn)換構件承托的層數(shù)也相應增加，采用鋼筋混凝土轉(zhuǎn)換構件的截面尺寸也需要增加，限值了用鋼骨混凝土不僅承載力高，剛度好，可以減小截面尺寸，且塑性、耐久性和抗采用預應力技術可以帶來許多結(jié)構和施工上的優(yōu)點：減少截面尺；提高轉(zhuǎn)換構件的剛度，便于控制構件的撓度；控制混凝土收縮應力以及大體積混凝土溫度效應；減輕支撐自重等。所以對于大跨度轉(zhuǎn)換層結(jié)構，更為適合，以節(jié)省材料。近年來我國高層建筑結(jié)構中轉(zhuǎn)換構件采用預應力技術的情況越來越.轉(zhuǎn)換梁受力性能的改善實際設計時，轉(zhuǎn)換梁的截面尺寸通常由它的受剪承載力要求確定另一方面采用轉(zhuǎn)換梁或多或少會影響結(jié)構使用空間，不利于通風和采光，若在轉(zhuǎn)換梁上開設轉(zhuǎn)換梁的受力特性。.新型轉(zhuǎn)換結(jié)構的應用近年來，在高層建筑結(jié)構中出現(xiàn)了很多新型轉(zhuǎn)換層的結(jié)構形式，轉(zhuǎn)換、搭接柱轉(zhuǎn)換、斜柱轉(zhuǎn)換以及寬扁梁轉(zhuǎn)換等，這些新型轉(zhuǎn)換結(jié)構形式在許多情況下能夠解決按照常規(guī)的轉(zhuǎn)換形式不能解決的問題。.梁式轉(zhuǎn)換層的研究和研究現(xiàn)狀二十世紀五六十年代，前蘇聯(lián)以及東歐提出了對當時建筑結(jié)構形式進行改進一上層全部為剪力墻、下部為框架的結(jié)構體系。并認為柔性底層善結(jié)構的抗震性能，這是人們首次提出轉(zhuǎn)換層的結(jié)構【】。但是實踐表明，這種柔性底層建筑形式并沒有達到人們所預期的反而由于底層的剛度比上層相比較小，變形過大，使得結(jié)構出現(xiàn)整體破壞。表.中為特殊破壞實例。表.破壞實例時間破壞情況前南斯拉夫地震，出現(xiàn)此類房屋倒塌現(xiàn)象羅馬尼亞布加勒斯特地震，此類結(jié)構底層柱破壞而倒塌前蘇聯(lián)亞美尼亞地震再次出現(xiàn)此類結(jié)構嚴重破壞研究表明，這種類型的轉(zhuǎn)換層結(jié)構按常規(guī)設計要求已不滿足在強震下的要隨后又有很多的學者從理論和試驗的角度對轉(zhuǎn)換層結(jié)構進行研武漢理工大學碩士學位論文不少的成就。年，.對上部為雙肢剪力墻，底層為框支剪力墻結(jié)構進行光彈性模型試驗，實測表明，其應力與用有限元方法計算的結(jié)果基本一年，,..,等【研究分析了兩跨帶梁式轉(zhuǎn)換層剪力墻結(jié)構的受力性能，并在考慮結(jié)構內(nèi)、外部柱作用的影響梁和剪力墻之間的相互作用，結(jié)果表明上部結(jié)構形式顯著影響了轉(zhuǎn)換梁的失效機年，,,等【人通過對一棟帶低位轉(zhuǎn)換層的鋼筋混凝土框架結(jié)構模型進行反應譜分析、分析和等效靜力分析，討論了帶有轉(zhuǎn)換層建筑結(jié)構性能的影響因素，指出了常見低位轉(zhuǎn)換結(jié)構在地震作用結(jié)構的最大層間位移角往往發(fā)生在結(jié)構的底部樓層及中上部樓角出現(xiàn)的樓層位置呈上移趨勢，不能僅以結(jié)構的建筑高度、轉(zhuǎn)換層的位置來判斷整體結(jié)構的薄弱樓層位置，低位轉(zhuǎn)換層結(jié)構具有較好的抗震性研究，得到了結(jié)構的破壞模式和極限抗剪承載力例，依據(jù)試驗結(jié)凝土抗壓強度、縱向鋼筋配筋率和梁的跨高比等參數(shù)的影響，推導出了轉(zhuǎn)換梁抗國內(nèi)在這方面的研究以及實際工程的應用始于年代中期，年首先在上現(xiàn)場應力實測、光彈性試驗、鋼筋混凝土模型試驗以及框支剪力墻有限元入地震波的擬動力實驗，在本試驗中采用.仃。波、人工地震波、遷安地震波，通過實驗結(jié)果可以看出這種結(jié)構由于空間作用、各片墻及墻肢之間的內(nèi)力重分布，因而有較高的承載能力及良好的抗震性能【。.年，中國建筑科學研究院結(jié)構研究所又進行了一幢層底部大空問上為魚骨式剪力墻模型：的擬動力試驗研究，結(jié)果表明底層大空間上層魚骨式剪力墻結(jié)構有較好的吸收地震能量的能力【。年.年，還進行了一幢層大底盤大空間有機玻璃模型的靜力試驗試驗研究。這些研究為底層大空間剪力墻結(jié)構的整體剛度和樓層相對剛度供了試驗和理論上的技術依據(jù)的短梁進行了試驗研究，探討了轉(zhuǎn)換梁在受剪方面的性能，并提出了相應的設計建議公式【引。武漢理工大學碩士學位論文徐培福、王翠坤等人通過對一幢高.的高層建筑在不同層次設有結(jié)構轉(zhuǎn)換層的空問分析的結(jié)果，詳細論述了轉(zhuǎn)換層設置高度的提高對框支剪力墻結(jié)構抗震性能的不利影響，并提出轉(zhuǎn)換層位置較高的框支剪力墻結(jié)構的抗震設計概念，供高層建筑結(jié)構設置轉(zhuǎn)換層時參考。年，魏璉、王森通過對不同高位轉(zhuǎn)換對高層建筑動力特性和地震作用影響的研究，研究表明轉(zhuǎn)換層位置上移時，轉(zhuǎn)換層處地震作用明顯下樓層的構件內(nèi)力也有明顯增加，所以高位轉(zhuǎn)換層結(jié)構需特別引年，黃勤勇、呂西林【】通過對框支剪力墻結(jié)構的落地剪力墻不同墻厚轉(zhuǎn)換層層間位移角突變較小。年，榮維生、王亞勇研究剛彈性樓板對梁式轉(zhuǎn)換層的地震作用影否采用彈性板計算時，應根據(jù)結(jié)構抗側(cè)力構件布置以及樓板是否在面內(nèi)產(chǎn)生明顯變形為依據(jù)采用局部層問彎剪型串聯(lián)多自由度體系可較好地擬帶彈性轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構的彈塑性地震反應。結(jié)構和剛接對動力特性影響不明顯，但采用鉸接會減小轉(zhuǎn)換層以及底層柱的內(nèi)力，改善受力性能。還有很多學者從轉(zhuǎn)換層的高度、多次轉(zhuǎn)換以及新型轉(zhuǎn)換層結(jié)構進行了大量的研究，得出了很多有用的結(jié)論，為后續(xù)人們的研究提供一定的參考價值】。武漢理工大學碩士學位論文.本文的主要工作目前，人們更加重視利用地鐵車輛段上部空間，如利用上部空間開發(fā)商業(yè)、辦公、社會保障性住宅等。此類結(jié)構的特點是車輛段豎向構件剛度遠大于上部結(jié)構豎向構件剛度，造成結(jié)構在轉(zhuǎn)換層處形成豎向剛度嚴重突變。對于此類轉(zhuǎn)換層有待于進一步采用計算機模擬方法對模型在地震作用下的抗震性能進行分析。主要從以下幾個方面展開工作：.概述了轉(zhuǎn)換層結(jié)構的形式以及各自適用特點，探討了轉(zhuǎn)換層未來發(fā)展趨.比較分析了結(jié)構抗震靜力階段、反應譜階段以及動力階段的特點和底部剪力法、振型分解反應譜法和時程分析法等彈性設計方法。.討論了基于性能設計的抗震理論及主要的設計方法，探討了靜力彈塑性分析以及動力彈塑性分析這兩種設計方法主要實施過程。塑性分析結(jié)果與動力彈塑性分析結(jié)果比較，對結(jié)構在地震作用下的響應特性進行分析，對結(jié)構抗震性能進行了評估；最后本文分析了轉(zhuǎn)換層處樓板的內(nèi)樓板的抗震性能。.對全文工作進行總結(jié)，對該領域的研究進行了進一步的展望。武漢理工大學碩士學位論文第章結(jié)構抗震分析理論與計算方法.結(jié)構抗震理論的發(fā)展結(jié)構抗震分析理論是一門新興學科理論，理論研究表明地震響應的確定是一項非常復雜的工作，因為地震大小和結(jié)構本身特性質(zhì)量、剛度、阻尼等以及地面運動特性場地類別、地震烈度以及近、遠震等有關，而結(jié)構本身特性和地面運動特性都具有隨機性。隨著人類對于這兩個方面的認識程度不同，結(jié)構抗震分析理論發(fā)展可以劃分為三個階段：靜力理論、反應譜理論和動力理論【。..靜力理論階段靜力理論首先是在意大利提出，但是最先是在日本形成并運用到結(jié)構抗震設計。日本學者大森房吉在年提出震度法的概念，假定結(jié)構物的地震作用可簡化為結(jié)構的等效水平靜力，其計算公式見公式?式中‰??地震動最大水平加速度；??重力加速度；般認為≈.。理論的假定一般結(jié)構是剛性的，結(jié)構上每一點的振動加速度均等于地震動加速度，結(jié)構上的單位質(zhì)量的地震作用是一致的。但是由于該方法未考慮上部結(jié)構特性的變化以及地震作用持時的影響，所以這種方法只適用于某些特定條件而且具有一定的近似性，目前基本上已不再使用。從世紀年代開始，美國首先開展了對強震數(shù)據(jù)記錄的研究工作，在年獲得了重要的地震波數(shù)據(jù)，美國學者.提出根據(jù)實際記錄的地震數(shù)據(jù)計算反應譜的重要的概念，年代初，美國學者.在此基礎上研究出反應譜的計算，并運用到結(jié)構抗震設計。這種反應譜計算理論成為多數(shù)國家采用的方法，并不斷得到改進。反應譜理論原理是將許多地震實際記錄地震波分別代入單自由度動力反應方程，得到每條地震波作用下結(jié)構的最大彈性地震作用位移、速度、加速度，進而得到結(jié)構最大地震反應與自振周期之間的關系曲線。根據(jù)反應譜理論，作用于單自由彈性體系上地震作用如公式?。式中：??地震系數(shù)；Ⅱ??動力系數(shù)，Ⅱ是加速度反應譜與地震動最大加速度的比值，表示地震時結(jié)構振動加速度的放大倍數(shù)。從本質(zhì)上反應譜方法仍然是一種靜力方法，但是與靜力理論相比，它考慮地震烈度、地面運動特性以及結(jié)構自身的特性，并且，反應譜法將動力計算問題轉(zhuǎn)化成靜力來考慮，計算比較簡單，而且設計時是采用結(jié)構的最大全，因此得到廣泛的應用。將單自由體系推廣到多自由體系，即形成現(xiàn)階段常用的振型分解方法。反應譜方法的存在一定的不足：只考慮加速度反應譜中最大值，即慣性力最大值，但未必是結(jié)構的最危險的狀態(tài)，因為結(jié)構的最大地震效應不一定在同一時刻出現(xiàn)；反應譜是根據(jù)彈性結(jié)構地震反應得到的，引用反映出結(jié)構的延性影響系數(shù)后，也只是籠統(tǒng)給出了結(jié)構進入彈塑性狀態(tài)的結(jié)構的最大地震反應，不能給出結(jié)構地震反應的全過程，更不能給出地震過程中構件進入彈塑性變形階段的內(nèi)力和變形，因而無法找出結(jié)構的薄弱部位。..動力理論階段地震的震害表明，僅采用反應譜理論方法不能全面反映結(jié)構抗震表明地震持續(xù)時間對結(jié)構的動力響應有重要影響，從而推動研究理論進入一個新的階段一動力階段。時程分析方法是直接對結(jié)構動力方程得到結(jié)構的地震響應，由于地震波具有很復雜的隨機性，對于多自由度體系一般只能求采用逐步積分法，該方法計算量繁多，只有利用計算機才可以實現(xiàn)。由于時程分析法考慮了地震的持續(xù)時間的影響，因此能夠全面的描述結(jié)構的地震響應隨時問的變化，考察結(jié)構由彈性到塑性時結(jié)構的發(fā)展狀態(tài)，因此成為現(xiàn)在一種重要方法。.結(jié)構抗震設計的計算方法在我國《建筑抗震設計規(guī)范》?簡稱《抗規(guī)》主要采用的計算方法有底部剪力法、振型分解反應譜法以及時程分析法，每種計算方法適用條件不同，其各自計算原理如下：武漢理：:大學碩士學位論文..底部剪力法底部剪力法【】主要是對于建筑物高度不超多，質(zhì)量和剛度沿高度變化均勻，結(jié)構主要是剪切變形。底部剪力法計算時假定每一層只有一層的地震作用為峨.底部剪力法示意%:善生點一甌峨/‰式中：疋??結(jié)構總水平地震作用標準值；甌??相應結(jié)構基本白振周期的水平地震影響系數(shù)值；取總重力荷載代表值的%:??質(zhì)點的水平地震作用標準值；,、,??分別為質(zhì)點、,的重力荷載代表值；、IV,??分別為質(zhì)點、,的計算高度；皖??頂部附加地震作用系數(shù)，多層高層鋼筋混凝土和鋼結(jié)構房屋可按《抗規(guī)》采用。..振型分解反應譜振型分解反應譜法是在結(jié)構為線彈性多自由體系假定的前提下，利用陣型的正交性，把結(jié)構在地震作用下的復雜振型分解成多個振型，對每個振型采用反應譜法計算出結(jié)構的地震響應，再根據(jù)一定的組合方法將各自得到的地震響應進行武漢理工大學碩士學位論文組合，得到結(jié)構的整體的地震響應。根據(jù)《抗規(guī)》規(guī)定，采用振型分解法時，不進行扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)計算時，采用公式計算地震作用和作用效應：結(jié)構，振型質(zhì)點的水平地震作用標準值，按下列公式計算：匕哆乃如\‘,,專一瓦??,振型質(zhì)點的水平地震作用標準值；口，??『振型自振周期的地震影響系數(shù)；打??,振型質(zhì)點的水平相對位移；??集中質(zhì)點的重力荷載代表值；,??/振型的參與系數(shù)。通過上述公式可以得到每個質(zhì)點在所有振型下的地震作用標準值，當相鄰振型的周期比小于.時，可按下面的組合規(guī)則得到結(jié)構的整體作用響應；式中：??水平地震作用標準值的效應：邑??,振型的水平地震作用標準值的效應彎矩、剪力、軸向力以及位移等。..時程分析法時程分析法是開始于世紀年代，這主要歸功于計算機技術的快速發(fā)展和普及應用。實際上地震波是極其復雜的隨機振動，這對于多自由度體系振動而這就需要借助于計算機的作用。時程分析法可以得到結(jié)構在整個地震波下的由彈性到彈塑性全過程，成為現(xiàn)在研究結(jié)構在罕遇地震下彈塑性分析的一種重要方蚪【蚪?刮《從上式中可以發(fā)現(xiàn)地面振動加速度是復雜的變化量，同時結(jié)構進入到彈塑性階段后剛度矩陣和阻尼矩陣都會發(fā)生變化，從而說明了時程分析是無法求出解析武漢理工大學碩士學位論文解。對上式轉(zhuǎn)化成增量方程：基本原理：在時間域內(nèi)對響應的時間歷程進行離散，把運動微分方程分為各離散時刻的方程，設定某個時刻的位移、速度和加速度的近似表式代入系統(tǒng)運動方程，對耦合的系統(tǒng)運動微分方程進行逐步積分個或幾個時間離散點上的位移、速度和加速度推出下一個時間點上的位移、速度和加速度，從而求出在一系列離散時刻上的響應值。線性以及非線性體系都比較采用，但對于非線性體系，由阻尼矩陣不斷.本章小結(jié)本章第一部分介紹了結(jié)構抗震理論的發(fā)展過程，對比了這些理論的假定條件以及各自的優(yōu)缺點；第二部分介紹目前的計算方法，比較這些方法的適用條件和原理，為下一步選擇結(jié)構計算方法做好準備。武漢理工大學碩士學位論文第章基于性能的抗震設計理論基于承載力的設計主要目的是避免在罕遇地震下主體結(jié)構發(fā)生護人的生命安全。但是現(xiàn)代建筑內(nèi)部的設備價值遠超過結(jié)構本身保證人的生命安全的前提下，如何控制地震中破壞所產(chǎn)生的經(jīng)濟不同的使用要求，是抗震設計面對的一個新的挑戰(zhàn)。研究最終推動基于性能設計的理論的發(fā)展。目前這種理論還不夠成熟，處于定性向定量轉(zhuǎn)變性能的抗震設計思想是建筑結(jié)構抗震設計的一個重要發(fā)展，代表著未來結(jié)構抗震設計的發(fā)展方向?；谛阅艿目拐鹪O計研究方法可以分為靜力彈塑性方法和動力彈塑性方法。.靜力彈塑性方法分析..基本原理靜力彈塑性方法能夠從結(jié)構的宏觀結(jié)構承載力和變形和微觀構件的內(nèi)力和變形反映結(jié)構彈塑性變化，同時這種方法簡便易行，是結(jié)構抗震性能評估的主要方法。靜力彈塑性的實施過程：首先沿著結(jié)構的高度實施一定分布形式的側(cè)向荷載模擬地震作用；逐步增加側(cè)向力的大小，當結(jié)構進入塑性的大小再繼續(xù)施加，交替下去，直到結(jié)構推覆至預期設定的目標點處的參數(shù)層間位移角、層位移、層剪力以及屈服狀態(tài)來判斷結(jié)構的抗震性能是否滿足性能目標要求。..基本假定靜力彈塑性分析的基本假定：實際結(jié)構一般都是多自由度體系的反應可以用一個等效單自由度體系來表示也就是實際結(jié)構的反應由單一動過程中保持不變。目前有多種途徑將多自由體系轉(zhuǎn)化成單自由理本質(zhì)均為通過對多自由度體系動力方程進行等效。多自由度體系的運動方程如啡【】糾一腳乏分別為體系的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、為地震動加速度。甄、儀埋大字壩士字位論文????????????????????????????????二???二二,、在這里我們假定結(jié)構的相對位移向量習可以用結(jié)構頂點位移玉和形狀向量糾表示：畸嘲玉?~~、多自由度體系的運動方程就等價于：【刪噼二【】畸二【卅乏這里我們定義等效單自由體系的參考位移：拈四薯斜【卅。在方程?左乘以刃，并將，得到方程：~川晦四刃趟。四們川乏令上式中：?【】鉗九】中趟四將公式?代入公式.,得到：必≥≥:膨三?阻尼、恢復力。至此，,、斜分別為單自由體系的質(zhì)量、多自由體系運動方程就轉(zhuǎn)化成單自由度體系。研究【冽表明對于門層質(zhì)量相同，高度辦相同的多自由度體系，等效質(zhì)量轟端瓦一面麗表.等效單自由度質(zhì)量百分比由此看出，高于層的建筑結(jié)構，第一振型的等效質(zhì)量占全體質(zhì)量的百分比大約在‰%,如果在實際結(jié)構的反應中，第一振型占主要成分等效質(zhì)量百武漢理工大學碩士學位論文分比大于%,那么由這些假定得到的實際結(jié)構的最大地震反應具有合理的精的實例是可以通過方法給出結(jié)構的地震彈塑性反應的全貌。..水平力分布模式側(cè)向水平力分布方式的選擇假定條件：能夠體現(xiàn)地震作用下層慣性力的分布形式；能夠大致上描述地震荷載下結(jié)構位移的分布狀況，列舉幾種常用的方法。.均布分布：樓層側(cè)向力大小取所在樓層的重力大?。后H妾圪.倒三角形分布：糾倒三角形分布情況實際上是通過底部剪力法求的分布力，因此這種方法使用于高度不大于，以剪切變形為主且質(zhì)量和剛度沿結(jié)構高度變化比.指數(shù)分布：分布力沿結(jié)構高度呈拋物線形狀分布，其分布數(shù)學表日÷?圪時，取.;中間值采用線性插值。一般在靜力彈塑性分析中，水平側(cè)力是單向加載的，但是樓層間的水平力關系是保持一定的比例，這樣就無法體現(xiàn)結(jié)構進入塑性后由于結(jié)構本身特性的改變而對地震作用的改變，后來，一些研究者提出自適應側(cè)向力模式，主要是根據(jù)前一步的結(jié)構特性確定下一步的結(jié)構的加載方式。雖然這種方法比固定的側(cè)向力更為合理，這使得原本簡化的靜力彈塑性分析變得復雜化，而選擇靜力彈塑性分析水平加載模式的基本原則：在結(jié)構具有足夠的精度的前提下，盡可能保持靜力彈塑性分析方法的簡便性。研究表明任何一種加載模式都不能完全反應結(jié)構的變形和受力，而且，結(jié)構進入塑性后其自振周期和慣性力大小及分布方式都會發(fā)生變化，上述任何一種加載模式均不能完全反應結(jié)構的層慣性力變化，因此.建議至少采用兩武漢理工大學碩士學位論文種及兩種以上的加載模式，本文中以方向為例，采用的是模態(tài)加載、加速度加載以靜力加載種加載模式。羽振型加載等加速度加載靜力加載圖.各加載模式示意圖方法對上述這兩種方法的研究改進，提出了“等效線性法”、“位移修立能同規(guī)范規(guī)定的限值相比較，考察結(jié)構的抗震性能。等效單自由化建立結(jié)構分析模型。分析、一荷載一位移曲線一能力譜選擇荷載分布模型一能力評價能力譜法轉(zhuǎn)化能力譜法主要是通過地震需求曲線和結(jié)構的能力曲線的疊加從而得到結(jié)構在給定地震作用下的地震反應特性。結(jié)構的能力譜是通過結(jié)構的頂點位移和基底剪力的曲線關系；需求曲線是地震對結(jié)構的產(chǎn)生的最大加速度和最大位移反應的武漢理工大學碩士學位論文關系曲線，它是由加速度反應譜轉(zhuǎn)化而來，反映了地震對結(jié)構位移的需求。本文中靜力彈塑性分析是采用基于的能力譜法，實現(xiàn)原理是通過以下步驟得到：按照選定的側(cè)向加載模式進行推覆，可以得到結(jié)構的基底剪力一頂點位移曲線，即.曲線；將上一步得到的?曲線轉(zhuǎn)化為譜加速度&和譜位移的曲線關系，得到結(jié)構的能力譜。喜①。等一?珥：掣珥為第一振型的模態(tài)質(zhì)量：%為第層質(zhì)點的質(zhì)量；①訂為第一振型在第層的振幅；。為第一振型參與系數(shù)；以為結(jié)構的總層數(shù)。曲線能力譜曲線圖.曲線和能力曲線之間的轉(zhuǎn)換武漢理：亡大學碩士學位論文需求譜的轉(zhuǎn)換需求譜曲線是將標準的加速度譜配丁譜轉(zhuǎn)化成加速度譜一位移譜曲線，對于反應譜曲線中每一點都有唯一的一組變量與之對應譜加速度、譜速度、譜位移以及周期。曲線上第一段上每一點的相應于和的以。的值，三者有如下的寺&標準的需求反應譜包含一組常量的譜加速度和另一組常量的譜處的譜速度和譜位移關系如下：踟寺甌嘉)/,佻./\薩~≥一???卜圖.標準反應譜轉(zhuǎn)換為模式需求0..性能評價分析一般采用.或.中推薦的方法評價構件的性能。圖.給出了結(jié)構構件性能評價圖。由于圖可見構件性能分為不同物理體各階段物理意義如下【馴：段：硬度強化階段，剛度一般為初始剛度的%.%,對相鄰構件問的內(nèi)力重分配有較大影響；段：構件的初始破壞狀態(tài)，鋼筋混凝土構件的主筋斷裂或混凝土壓碎狀態(tài)，鋼構件抗剪能力急劇下降區(qū)段；段：最大變形能力位置，無法繼續(xù)承受重力荷載的狀態(tài)。對段通?？梢赃M行更進一步的細致的劃分：武漢理工大學碩士學位論文直接居住極限狀態(tài);安全極限狀態(tài)坍塌防止極限狀態(tài)長翟將圖.的性能評價曲線與國內(nèi)規(guī)范的相關抗震性能要求進行對比，可知兩者相互關系大致如下：構件性能鉸處于階段：構件完好、無損傷，此時構件完全處于彈性構件性能鉸處于?階段：構件輕微損壞，出現(xiàn)輕微裂縫，此時構件剛進構件性能鉸處于.階段：構件中等損壞，出現(xiàn)明顯裂縫，此時構件已進入屈服階段：構件性能鉸處于.,.階段：構件嚴重損壞，但不發(fā)生局部倒塌，此時構件塑性承載力充分發(fā)揮，接近破壞；動力彈塑性分析最早始于世紀年代，自年代發(fā)展較快，因為在當時按0規(guī)范設計的，認為安全的建筑物在強烈地震中也會遭到破壞。例如日本在年和年的地震中很多按等效靜力方法進行抗震設計的多層鋼筋混凝土結(jié)構遭到了嚴重破壞，年美國地震也出現(xiàn)同樣的狀況。年墨西哥城地震破壞中人們發(fā)現(xiàn)許多按照常規(guī)設計的高層建筑物遭到了動力彈塑性分析的一座層建筑物未受到影響，年該建筑又經(jīng)歷了一次.級地震依然完好無損。以上事例從正反兩方面說明動力彈塑性分析的重要性。利用動力彈塑性分析之所以能夠比靜力彈塑性分析更加優(yōu)越在于這種方法武漢理工大學碩士學位論文計算模型建立地震動方程，然后采用數(shù)值方法對方程進行求解，計算地震過程中每一個時刻結(jié)構的位移、速度和加速度響應，從而可以分析出結(jié)構在地震作用下彈性和非彈性階段的內(nèi)力變化以及構件逐步損壞的過程。..結(jié)構動力方程的建立結(jié)構彈性運動微分方程可以表示為：此，結(jié)構的彈塑性運動微分方程表示為：式中”、甜、也：唯分別表示為結(jié)構體系在時刻的加速度、速度、【】“;&【】“;出【大】“一【】%;址【荊“荊九】碰△二△,一△二，?廠△.廠時間內(nèi)變化是比較小的，所以IV可方荊【】斗【酬九【】△破武漢理工大學碩士學位論文..結(jié)構運動方程的求解通過..節(jié)我們得到了結(jié)構的運動方程，求解這類方程的方法主要有兩種：振型求解法和數(shù)值積分法，這里主要推導數(shù)值積分法的求解過程。通常的所用的用的是一法?。在一Ⅱ法中，最終速度和加速度：二&,。,一，二，△△出“△”,二出呸一Ⅱ二&Ⅱ二缸出?上式中，系數(shù)提供了在初始和最終加速度改變的影響之間的線性變化的權重；系數(shù)Ⅱ提供了在這些初始和最終加速度對位移改變的貢獻的權重。以上求解形式是隱式公式，這種求解方法是不方便應用的，從上式中可以看出每一時間步內(nèi)為了確定此步終點加速度需要進行迭代，為了方便使用，我們通常轉(zhuǎn)變?yōu)轱@示形式。對上面公式進行求導得到：陋垃古No出撕一去∽去一?肛陋去No撕一拼?一芻///扣琊，由公式?和.可以看出下一時刻的速度、加速度只與此時刻的位移和上一時刻的各量有關，就不需要進行的迭代。將公式?和?代入公式和?化簡為：等效剛度：幺卜面【卜孟【】陋刪?擊九去.九、忡，牡】靜『九一怫一No【,。’武漢理工大學碩士學位論文求解公式?可得”?△,將”&代入公式?.可求出脅&鄴?Ⅱ和的取值將會影響算法的精度和穩(wěn)定性，當Ⅱ/時，盹研砒法是無條件穩(wěn)定，具體不同取值可以分為三類：廠/,Ⅱ/,線性加速度法，≤.:/,Ⅱ:/中心差分法法，≤..結(jié)構的力學模型動力分析是一項比較復雜的過程，計算量大，對計算機性能要求計算模型在簡化時應根據(jù)結(jié)構本身的特點以及計算機發(fā)展水平選擇較為合理的力學模型。目前主要的力學模型有層模型、桿系模型以及桿系一層模型】。層模型層模型取層為基本計算單元，將結(jié)構質(zhì)量集中于各樓層處，整個結(jié)構的豎向承重構件等價為一根豎向桿。用結(jié)構每層的側(cè)移剛度代表豎向桿部嵌固的串聯(lián)質(zhì)點系模型。采用層恢復力模型以表征地震過程中層剛度隨層剪力的變化關系，利用層模型則可確定結(jié)構的層間剪力與層問側(cè)移。層模型的基本假定：結(jié)構各層樓板均假定為剛性樓板，每層豎向構件在水平荷載下具有相同的側(cè)向位移；建筑剛度中心與其質(zhì)量中心重合，水平地震作用下無繞豎軸扭轉(zhuǎn)發(fā)生。工程實踐中，層模型主要被用于檢驗結(jié)構在罕遇地震作用下的薄弱層位置及層間側(cè)移是否超過允許值，并校核層剪力是否超過結(jié)構的層極限承載力。桿系模型桿系模型是以梁、柱等桿件為基本計算單元，將質(zhì)量集中在桿件兩端的節(jié)點上的簡化模型。單個構件的彈塑性分析組合在一起通過變形協(xié)調(diào)來反映結(jié)構的彈塑性行為。所以采用桿系模型，可以比較細致地反映每個桿件在地震作用下的破壞過程，以及它們出現(xiàn)破壞的先后順序。桿系模型比較適合強柱型框架體系或混合框架體系。桿系模型采用了桿系恢復力模型來反映桿件單元剛度和內(nèi)力變化之間的關系，根據(jù)塑性變化沿桿系長度方向變化的規(guī)律，桿系模型可以分度模型、分布剛度模型。集中剛度模型中塑性變形僅集中在桿件兩端，中間部分武漢理工大學碩士學位論文保持彈性；分布剛度模型是根據(jù)桿件內(nèi)力的具體情況，確定單元研究中，研究發(fā)現(xiàn)桿件的彈塑性變化并不是只存在兩端，而是分布在一定長度的區(qū)域內(nèi)。因此這種模型常被采用，而且既能保證精度又不過多增種較為理想的模型。桿系.層模型桿系一層模型的特點是結(jié)構質(zhì)量假定集中在樓層處，采用桿系恢復力模型確定單元剛度，按照層模型建立運動方程。可以看出，桿系.層模型不但可以確定層剪力一變形的關系，而且也可以了解桿件的內(nèi)力和變形，同時計算量又減少很多。..構件的恢復力模型恢復力模型實際是表達了結(jié)構或構件在撤去外力后恢復變形的種恢復力與變形的之間的關系?；謴土δＰ褪菢嫾目拐鹦阅茉诮Y(jié)構彈塑性地震反應分析中具體體現(xiàn)。若僅用靜力非線性分析，模型一般是指力與變形關系骨架曲線的數(shù)學模型；而如果是用于結(jié)構動力非線性時程分析，恢復力模型不僅包含骨架曲線，同時也包含各階段滯回環(huán)的數(shù)學模型。經(jīng)過人們不斷探索，目前人們提出的恢復力模型可以大致分為兩曲線恢復力模型，這種模型的優(yōu)點在于與實際工程比較符合，但是礙于剛度和計算方法存在很多不確定性，所以沒有普遍適用性；另一類是折線這類模型簡單實用，但存在折線之間的拐點處的剛度問題值得研究。目前折線型實際中具體要