钢筋混凝土框排架结构的平扭耦联多维地震反应分析

论文摘要

在电力、冶金、矿山等钢筋混凝土工业厂房结构中,由于生产工艺的需求,在同一幢厂房中,由多层除氧间、煤仓间与大跨度的单层汽机房相连,形成部分为多层、部分为单层的大空间体系,这就是设计中常见的多层框架、单层排架相连成一体的钢筋混凝土框排架结构体系。由于重型设备或贮料仓偏置于厂房的一端,以致质心偏离结构刚心,形成空间非对称结构。对于这种双向偏心结构,由于结构的纵向振动与横向振动相互耦联,应该考虑结构的空间扭转性能,对结构进行地震动双向平动分量同时输入下的“水平变形—扭转”耦联振动分析,而不宜再按一般厂房那样,沿结构的纵向和横向分别进行单向地震动分量作用下的抗震分析。本文以已建成投产的单机容量600MW某火力发电厂主厂房为原型,选取含有汽机跨、除氧间及煤仓间3跨8榀框排架子空间模型进行地震反应分析,研究结构在双向地震动输入下的受力性能以及影响结构平扭耦联反应的因素。1利用ANSYS软件的用户可编辑特性(UPFs)进行二次开发,修改构件的混凝土弹塑性材料模型,建立整体结构的空间计算模型,在不同的水平双向地震波输入下,利用APDL语言对结构进行平扭耦联的弹塑性时程分析,与结构平面模型的时程分析结果进行比较,探讨整体结构的空间性能。分别进行结构平面模型及空间模型的模态分析,分析整体结构的自振特性,为结构的地震反应分析提供参考。选取不同的地震波,沿整体结构纵、横方向同时输入,研究结构在整个时程范围内的最大位移,最大层间位移角,最大扭转角,层间剪力及各地震响应时程曲线,特别是结构扭转性能。对比不同加速度强度下整体结构在不同受力阶段的地震响应情况。根据所使用软件的特点,利用屈服面模型法分析结构的非线性性能,根据结构构件的实际截面配筋,编写计算程序,模拟结构塑性铰的发生和整体结构的破坏过程,分析框架和排架的协同工作能力。针对工程计算中采用平面模型进行抗震设计的情况,提出此结构的空间作用调整系数。2通过单向和双向地震作用下的结构弹性和弹塑性时程分析,对比单、双向地震作用下的结构空间反应性能及扭转特性,推导结构的最不利输入方向计算公式。选取结构在单向地震波作用下的最大地震响应值,与双向地震输入下结构地震响应进行对比分析,指出此结构应予以重视的薄弱层部位,分析双向地震作用对结构扭转响应的影响。单、双向地震波分别沿结构斜向输入,找出每个输入方向的地震效应时程最大值,然后在不同输入方向的时程最大值中再找出最大值。对比单、双向地震作用效应最大值,并将比例值进行统计,对抗震规范中相应的双向地震效应组合公式进行系数修正。分析结构的最不利作用方向,初步了解到两水平地震动分量间的相关性对结构地震反应的影响。3分析空间框排架结构的不规则性,探讨不同因素对结构的影响,提出结构的扭转控制措施。讨论结构在水平双向地震作用下的扭转变形指标,分析框排架结构的不规则性,分别计算结构各层结构的静力偏心矩、强度偏心矩、平扭频率比等偏心指标,讨论影响多层偏心结构地震反应的各因素对框排架结构的影响。针对框排架竖向布置不连续,局部楼层收进的特点,讨论竖向不规则性对结构抗震性能的影响。通过结构的不规则性分析,提出针对框排架结构特点的扭转控制措施。4建立双向水平地震作用下空间框排架结构的振型分解反应谱法,选取不同振型组合方法计算结构的地震响应,提出振型组合数目。利用振型分解反应谱法计算结构中震时的响应问题,求解满足计算精度要求的振型组合数目,讨论采用不同振型组合方法计算结构地震响应的差别,以及高振型对结构反应的影响程度。针对抗震规范中对于振型组合方法的规定,讨论框排架结构振型间的扭转耦联效应,提出适用于此结构的振型组合方法。5介绍结构的空间模型拟动力试验和伪静力试验,对比理论分析和试验结论,为使用钢筋混凝土框排架结构的各个行业提供参考。以实际厂房结构为原型,选取3跨3榀的钢筋混凝土框排架子空间模型进行拟动力试验,重点研究在水平力作用下框排架结构的整体变形能力及各层的层间变形大小,框排架结构在不同受力阶段的动力变化规律以及模型结构裂缝开展过程、塑性铰形成的先后顺序、结构的滞回特性、底层柱的工作性能等。试验结果与理论分析结果相比较,结论相符。综上所述,通过对该类双向偏心的不规则结构进行不同强度下地震反应分析,研究了该体系的抗震性能,以及不同地震输入方向、结构的不规则性对结构抗震性能的影响,提出了针对该体系的计算方法,对抗震规范中的相关条文进行修正,结合结构的拟动力试验结果,为有关行业规程的制定提供参考和基础性资料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 概述
• 1.1 多维地震动分量的研究
• 1.2 地震作用下扭转效应的研究
• 1.2.1 扭转震害
• 1.2.2 引起扭转破坏的因素
• 1.2.3 国内关于不规则结构扭转效应的研究现状
• 1.2.4 国外关于不规则结构扭转效应的研究现状
• 1.3 主要工作
• 参考文献
• 第2章 空间非线性动力分析模型的建立及动力特性分析
• 2.1 多维地震作用下空间结构动力响应分析方法
• 2.1.1 多维抗震分析的反应谱方法
• 2.1.2 多维抗震分析的时程法
• 2.1.3 多维抗震分析的随机方法
• 2.2 结构非线性地震反应分析模型
• 2.2.1 结构分析模型
• 2.2.2 空间杆件非线性恢复力模型
• 2.2.3 地震波的选取
• 2.2.4 数值分析方法
• 2.2.5 材料本构关系
• 2.3 钢筋混凝土框排架平面计算模型的建立
• 2.4 空间框排架结构非线性有限元模型的建立
• 2.4.1 单元类型选择
• 2.4.2 梁、柱单元截面单元划分形式
• 2.4.3 混凝土和钢材的应力—应变模型
• 2.4.4 屈服准则
• 2.4.5 破坏准则
• 2.5 输入地震波的选取
• 2.6 结构阻尼的确定
• 2.7 框排架结构的动力特性
• 2.7.1 振动模型
• 2.7.2 平面框排架结构的动力特性
• 2.7.3 框排架结构的空间动力特性
• 2.8 主要结论
• 参考文献
• 第3章 空间框排架结构多维弹塑性时程分析
• 3.1 弹塑性阶段的结构地震反应
• 3.1.1 平面框排架结构的动力反应
• 3.1.2 空间整体结构的动力反应
• 3.2 空间框排架结构在不同地震强度下的弹塑性受力分析
• 3.2.1 空间结构扭转反应
• 3.2.2 空间结构变形及地震效应分析
• 3.2.3 空间框排架弹塑性破坏过程分析
• 3.2.4 框架和排架的协同工作
• 3.3 空间相互作用分析
• 3.3.1 模型空间相互作用分析
• 3.3.2 模型空间作用调整系数
• 3.4 主要结论
• 参考文献
• 第4章 框排架结构单双向水平地震作用效应的对比分析
• 4.1 研究现状
• 4.2 我国规范关于结构在双向水平地震作用下的扭转效应与抗扭设计的规定
• 4.3 双向地震动输入对结构的影响
• 4.4 框排架工程实例
• 4.5 弹塑性时程分析计算
• 4.5.1 单、双向地震波作用下结构地震反应
• 4.5.2 双向水平地震作用对框排架的扭转影响
• 4.6 单双向地震输入下结构最大地震效应对比
• 4.6.1 单双向地震作用效应差比
• 4.6.2 双向地震作用效应最大值与单向地震作用效应最大值之比（XY/X）
• 4.6.3 双向地震作用效应最大值与两单向地震作用效应组合最大值之比（XY/T）
• 4.6.4 两单向地震作用效应最大值之比（Y/X,X/Y）
• 4.7 地震动斜向输入下框排架结构的地震反应分析
• 4.7.1 双向地震输入下结构反应最大值及最不利输入角
• 4.7.2 框排架结构扭转最不利地震输入方向分析
• 4.8 地面运动分量的相关性对结构反应的影响
• 4.9 主要结论
• 参考文献
• 第5章 框排架结构的不规则性分析
• 5.1 平扭耦联震动分析方法的研究现状
• 5.2 结构的扭转问题
• 5.3 结构的不规则性
• 5.3.1 平面不规则
• 5.3.2 竖向不规则
• 5.4 结构偏心问题
• 5.4.1 影响单层偏心结构的主要参数
• 5.4.2 影响多层偏心结构的主要参数
• 5.4.3 存在的问题
• 5.5 框排架结构体系的不规则性分析
• 5.5.1 平面不规则
• 5.5.2 竖向不规则
• 5.6 双向地震作用下框排架结构扭转反应影响因素
• 5.6.1 框排架结构偏心分析
• 5.6.2 静力偏心矩的影响
• 5.6.3 相对偏心矩e/r对结构的扭转耦联作用
• 5.6.4 强度偏心的影响
• 5.7 立面不规则对框排架结构扭转反应的影响
• 5.7.1 对位移的影响
• 5.7.2 对地震扭转效应的影响
• 5.8 框排架结构扭转效应的控制
• 5.8.1 框排架结构减小扭转措施
• 5.8.2 框排架结构概念设计原则
• 5.9 主要结论
• 第6章 钢筋混凝土框排架结构的抗震设计方法
• 6.1 振型分解反应谱法计算水平地震作用
• 6.2 振型分解反应谱法求解框排架结构的双向水平地震效应
• 6.2.1 模态分析
• 6.2.2 振型组合数的选取
• 6.2.3 不同振型组合法分析
• 6.2.4 扭转效应组合方法比较
• 6.3 框排架结构基于性能的抗震设计研究
• 6.3.1 基于性能的抗震设计理论
• 6.3.2 框排架结构的性能指标
• 6.3.3 柱子轴压比限定
• 6.3.4 短柱和错层的构造要求
• 6.4 钢筋混凝土主厂房结构设计及建议
• 6.4.1 结构特点及适用范围
• 6.4.2 整体结构设计、布置原则及相关建议
• 6.5 主要结论
• 参考文献
• 第7章 空间模型拟动力试验与理论分析对比
• 7.1 框排架模型结构的动力特性测试与理论分析对比
• 7.1.1 模型结构动力特性
• 7.1.2 原型结构动力特性
• 7.1.3 空间结构动力特性的理论分析
• 7.2 框排架子空间模型拟动力试验
• 7.2.1 模型结构设计及试验装置
• 7.2.2 模型结构试验介绍
• 7.3 框排架空间模型结构拟动力试验与理论分析对比
• 7.3.1 结构整体位移
• 7.3.2 结构层间位移角
• 7.3.3 结构承载能力
• 7.3.4 结构滞回特性
• 7.3.5 高轴压比框架柱抗震性能
• 7.4 主要结论
• 参考文献
• 第8章 结论与展望
• 8.1 本文主要结论
• 8.2 有待研究的问题
• 致谢
• 一、攻读博士学位期间发表论文
• 二、攻读博士学位期间参加的科研项目