带加强层高层建筑结构抗震性能及基于性能的抗震设计方法研究

论文摘要

带加强层的高层建筑在我国应用较多,这种结构充分发挥了内筒和外柱各自的优势,因而成为一种重要的高层建筑类型。由于结构的复杂性和高度超限,带加强层高层建筑结构在很多方面超出了规范的限制,因而不宜直接套用规范方法进行抗震设计。基于性能的抗震设计作为一种新的抗震设计方法,可以在很大程度上弥补此类结构抗震设计方法的空缺。然而将基于性能的抗震设计方法具体应用于带加强层的高层建筑结构,还有许多关键科学问题有待解决。为此,本文在这方面进行了一些研究,主要研究内容如下:(1)带加强层高层建筑结构受力性能研究以一幢52层带加强层的高层建筑结构为例,采用sap2000建立了结构的三维有限元模型。详细分析了加强层的位置、数量、加强层伸臂与内简刚度比等参数对结构整体刚度及构件内力的影响,考察了带两个加强层的结构在静力和动力荷载作用下的弹性响应特征。通过分析,提出了加强层最优设置位置和加强层伸臂与内筒线刚度比的合理取值范围及限值。(2)带加强层高层建筑结构性能水准量化建立了带加强层高层建筑结构加强层层间位移的计算方法。结合我国抗震规范和国外相关标准,为带加强层的高层建筑结构划分了性能水准。参考大量剪力墙试验数据,通过统计分析,对普通楼层和加强楼层以及结构顶点侧移分别进行了性能水准的量化,为基于性能的抗震设计做了前期准备工作。(3)带加强层高层建筑结构直接基于位移的抗震设计提出了带加强层高层建筑结构直接基于位移的抗震设计方法。选取参与重量占结构总重90%以上的振型以考虑高阶振型的影响。针对带加强层高层建筑结构的受力和变形特点,选取底部楼层和加强层上部附近楼层作为关键楼层,同时结合结构顶点侧移指标来控制整个结构的性能。将结构各振型分别等效为单自由度体系并分别计算地震作用下的等效位移,组合各振型的贡献并取变形最大的楼层作为目标楼层确定目标位移,以目标位移反算地震作用下结构的内力并进行结构构件的设计和校核。(4)带加强层高层建筑结构基于能力谱法的抗震设计提出了带加强层高层建筑结构基于能力谱法的抗震设计方法。根据结构的受力和变形特点,仍然选取底部楼层和加强层上部附近楼层为关键楼层,结合顶点位移指标对结构性能水准进行标定以减少工作量。将结构简化为平面结构,通过弹性分析求出各振型的侧移模式,考虑参与重量占结构总重90%以上的振型。对结构施加与各振型侧移模式相应的侧向力,并分别进行推覆分析得到各振型相应的能力曲线。将各振型能力曲线与需求曲线绘在同一坐标系中,求其交点得到各振型对结构的贡献,将各振型贡献按照SRSS法组合即得结构总地震响应,最后校核关键楼层的变形。(5)带加强层高层建筑结构地震力的简化算法提出了带加强层高层建筑结构地震作用的简化算法。根据带加强层高层建筑结构的特点,将整个结构以加强层为界分段,按照模态分析方法将各段按照第一振型侧移模式等效为单自由度体系,串联各单自由度体系,重新形成整体结构的简化计算模型。按照振型分解反应谱法计算简化计算模型的地震力即得到各段结构所受的基底剪力并将其分配至结构的各个楼层。分不同振型串联组合各分段然后将各振型地震剪力按照SRSS法叠加得到结构总的地震剪力。简化方法计算结果与常规的振型分解反应谱法计算结果的比较表明,该方法具有足够的精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 结构抗震设计方法
• 1.2.1 基于承载力设计方法
• 1.2.2 基于承载力和构造保证延性设计方法
• 1.2.3 基于损伤和能量的设计方法
• 1.2.4 能力设计方法
• 1.2.5 基于性能/位移设计方法
• 1.3 高层建筑结构
• 1.3.1 高层建筑的特点
• 1.3.2 高层建筑发展概况
• 1.3.3 复杂高层建筑结构体系
• 1.4 带加强层高层建筑结构的研究现状
• 1.5 本文进行的研究工作
• 第2章 带加强层高层建筑结构受力性能及加强层刚度限值研究
• 2.1 引言
• 2.2 加强层伸臂的类型及设计要求
• 2.2.1 伸臂及周边环带类型
• 2.2.2 带加强层高层建筑结构设计原则
• 2.3 简化理论分析
• 2.4 有限元分析模型
• 2.5 影响因素分析
• 2.5.1 m的影响
• 2.5.2 加强层数量的影响
• 2.5.3 i、p的综合影响
• 2.5.4 对结构内力的影响分析
• 2.6 时程分析
• 2.7 本章小结
• 第3章 带加强层高层建筑结构的性能水准及其量化
• 3.1 引言
• 3.2 性能水准
• 3.2.1 地面运动的选取
• 3.2.2 结构性能水准
• 3.2.3 非结构性能水准
• 3.2.4 本章采用的性能水准
• 3.3 带加强层高层建筑结构的层间位移
• 3.3.1 带加强层高层建筑结构的受力特点
• 3.3.2 结构层间位移
• 3.4 性能水准的量化
• 3.5 结论
• 第4章 带加强层高层建筑结构直接基于位移的抗震设计
• 4.1 引言
• 4.2 直接基于位移的抗震设计研究现状
• 4.3 带加强层高层建筑结构的特点
• 4.4 考虑高阶振型影响的结构目标侧移模式
• 4.4.1 目标位移的确定
• 4.4.2 结构性能水准量化
• 4.4.3 需要考虑的振型数量及变形增大系数
• 4.4.4 等效单自由度体系的等效地震作用及等效参数
• 4.5 直接基于位移的抗震设计步骤
• 4.6 算例分析
• 4.6.1 中震作用下结构“使用良好”
• 4.6.2 大震作用下“保证人身安全”
• 4.7 小结
• 第5章 带加强层超高层建筑结构基于能力谱法的抗震设计
• 5.1 引言
• 5.2 带加强层高层建筑结构的受力和变形特点
• 5.3 模态推覆分析（Modal push-over）及应考虑的振型数
• 5.3.1 Push-over方法的基本原理
• 5.3.2 模态推覆分析
• 5.3.3 需要考虑的振型数量确定
• 5.4 设计步骤
• 5.5 算例
• 5.5.1 工程概况
• 5.5.2 非线性分析模型及试验验证
• 5.5.3 能力谱法设计过程
• 5.6 结论
• 第6章 带加强层高层建筑结构地震力的简化算法
• 6.1 引言
• 6.2 振型分解反应谱法
• 6.3 带加强层超高层建筑结构的特点
• 6.4 单自由度体系等效原理
• 6.4.1 结构地震反应的计算
• 6.4.2 等效单自由度体系的等效参数
• j^*和h_j^*与原结构质量m_i及高度h_i的关系'>6.4.3 M_j^*和h_j^*与原结构质量m_i及高度h_i的关系
• 6.4.4 多自由度体系自由振动参数关系
• 6.5 等效地震力的计算步骤
• 6.6 算例
• 6.7 本章小结
• 第7章 结论和建议
• 7.1 结论
• 7.2 需要进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文