高层钢交错桁架结构基于性能的抗震分析与设计方法研究

论文摘要

本文通过拟动力试验和改进的能力谱方法对高层钢交错桁架结构的抗震性能及抗震设计方法进行了研究。首先,本文完成了14层交错桁架结构模型(缩尺比例为1/8)的两自由度拟动力试验研究,分析了模型结构的破坏过程,变形性能,位移、基底剪力、加速度响应以及滞回性能等地震反应特性。试验结果表明,交错桁架结构在桁架方向具有很强的承载力和抗侧刚度,在地震反应中的刚度退化不明显,能很好满足抗震规范的位移验算要求和“小震不坏,中震可修,大震不倒”的设计要求。其次,建立了基于模态静力弹塑性分析和弹塑性需求谱的改进能力谱方法,利用有限元软件SAP对试验结构模型进行了模拟分析,获得了7度和8度罕遇地震下结构的楼层侧移、层间位移角包络曲线及塑性铰发展机制,且与试验及其时程分析结果吻合良好,验证了本文改进能力谱方法的合理性,同时进一步表明交错桁架结构在地震作用下可满足规范的变形及设防要求。最后,基于规范“两阶段三水准”的抗震设计要求,建立了直接基于位移的高层钢交错桁架结构的抗震设计方法,并对一12层交错桁架算例进行了试设计和验证;在此基础上建立了一系列实际工程算例,运用改进的能力谱方法,进行了不同结构高宽比、构件尺寸、地震烈度、桁架的高跨比、空腹节间距下交错桁架结构的变形、塑性铰发展机制以及耗能等抗震性能分析,提出了设计建议,包括:8度抗震设防区高宽比宜小于4,9度抗震设防区不宜采用交错桁架结构,结构影响系数可取为0.35以及相应构件的宽厚比、长细比及轴压比限值等。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 交错桁架结构抗震理论研究综述
• 1.2.1 国外研究概况
• 1.2.2 国内研究概况
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第二章 交错桁架拟动力试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 试验目的
• 2.3 试验模型设计与制作
• 2.3.1 模型初步设计
• 2.3.2 模型概况
• 2.3.3 材性试验
• 2.3.4 基础设计
• 2.4 试验概况
• 2.4.1 加载方案及装置
• 2.4.2 测点的布置
• 2.4.3 地震波的选取及加载程序
• 2.5 试验结果及分析
• 2.5.1 自振频率和阻尼比
• 2.5.2 破坏过程及变形分析
• 2.5.3 结构响应
• 2.5.3.1 位移和基底剪力响应
• 2.5.3.2 加速度响应和动力放大系数β
• 2.5.3.3 滞回曲线和刚度退化
• 2.6 小结
• 第三章 基于模态静力弹塑性分析的改进能力谱方法
• 3.1 引言
• 3.2 静力弹塑性分析及其在SAP 中的应用
• 3.2.1 静力弹塑性分析简介
• 3.2.2 侧向荷载分布模式综述
• 3.2.3 抗震性能评估——能力谱方法（ATC-40）
• 3.2.4 SAP 中的静力弹塑性分析
• 3.2.4.1 分析步骤
• 3.2.4.2 塑性铰
• 3.2.4.3 荷载施加及控制
• 3.3 模态静力弹塑性分析
• 3.3.1 原理及假设
• 3.3.2 等效单自由度体系的建立
• 3.3.3 模态选择及组合规则
• 3.3.4 模态静力弹塑性分析的步骤
• 3.4 改进的模态能力谱方法
• 3.4.1 多模态下结构能力谱的建立
• 3.4.2 结构的弹塑性需求谱
• 3.4.3 改进的能力谱法的步骤
• 3.5 交错桁架拟动力试验模型分析
• 3.5.1 计算过程
• 3.5.2 结果比较
• 3.6 小结
• 第四章 高层钢结构交错桁架抗震性能分析及设计
• 4.1 引言
• 4.2 高层钢结构交错桁架算例基于位移的抗震试设计
• 4.2.1 性能水准的建立
• 4.2.2 各阶振型下结构目标侧移曲线及地震作用计算
• 4.2.3 典型算例试设计
• 4.3 高层钢结构交错桁架抗震性能分析
• 4.3.1 高宽比的影响
• 4.3.2 构件截面尺寸的影响
• 4.3.3 地震烈度的影响
• 4.3.4 桁架高跨比的影响
• 4.3.5 空腹节间距的影响
• 4.4 结构影响系数及相关构件设计
• 4.5 抗震性能评估及设计条文建议
• 结论与展望
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 致谢