楼板开洞的多高层抗震弹塑性能研究

论文摘要

随着建筑功能的多样化,越来越多的不规则高层拔地而起,同时成为了高层的发展趋势,楼板开洞复式高层就是其中的典型代表。众所周知,地震对高层建筑的破坏作用是十分复杂的,在楼板开洞复式高层中,楼板大开洞导致了楼板平面内刚度的减弱以及各层水平刚度的下降,更加使得楼板开洞复式高层结构设计变得复杂起来,使得现有的计算方法很难实现。目前对高层抗震性能的研究分析方法和程序主要有非线性静力分析程序,模型振台试验方法,弹塑性时程分析方法。由于时程分析考虑了地震动的峰值,频谱特性和持续时间三要素,因而该方法能比较完整准确地反映出结构在强烈地震作用下反应的全过程状况。但是在实际的设计过程中,由于时程分析方法计算量比较大,并且时程分析的后处理相当复杂,因此在当前的设计应用中,Pushover更便于抗震设计。然而在目前的设计软件的Pushover分析方法中,材料的模拟采取塑性铰的方法使材料达到非线性,更难以模拟材料性能复杂的钢筋混凝土材料。另外由于Pushover分析方法理论基础不严密,这会造成Pushover分析方法模拟楼板不连续高层结构的结果与结构世纪弹塑性动力响应相差较大。本文基于此,利用有限元程序ANSYS建立15层框架高层,选用Elentro地震波进行弹塑性时程分析,旨在研究楼板在大开洞情况下,楼板开洞率和不同楼层开洞对这种刚度不均匀的高层建筑结构的最大层层间位移和顶层位移的影响,并与Pushover分析结果进行比较研究,得到Pushover分析的准确度,并进行修正,为设计提供依据,并为进一步研究工作打下基础。主要的研究内容及成果如下:1)首先采用ANSYS软件对15层框架结构进行数值模拟,并与设计软件Etabs的数值模拟结果进行对比,验证ANSYS程序拟的有效性。结果发现两者模拟结果相差不大,说明ANSYS模拟钢筋混凝土的框架的时程分析的有效性。2)利用ANSYS软件模拟楼板开洞率对结构顶层位移和层间最大位移的影响。并通过理论推导,发现结构顶层位移与层间最大位移出现波动变化的原因:一是结构顶层位移与层间最大位移随着质量下降系数和刚度下降系数比的增大而增大,随着质量下降系数和刚度下降系数比的减小而减小,而随着楼板的开洞,质量下降系数和刚度系数变化的不同步,导致质量下降系数和刚度下降系数比波动变化。二,随着楼板的开洞面积的增加,结构的固有频率发生变化,当结构的固有频率与地震波的主频相近时,结构的顶层位移和层间最大位移会增大更多,这也更加剧了结构随着楼板开洞面积的增加顶层位移和层间最大位移波动变化。3)利用ANSYS软件模拟不同层楼板开洞对结构顶层位移和层间最大位移的影响。并通过理论推导,发现结构在近底层开洞对结构的顶层位移和层间最大位移影响最大,并且底层开洞与顶层开洞相比,层间最大位移和顶层位移约增加了50%。4)最后对无开洞高层结构进行Pushover分析,比较结构底层柱的弯矩侧向位移IDA曲线,与Etabs设计软件得到的结构底层柱的弯矩侧向位移Psuhover曲线,发现IDA和Pushover曲线明显分为两段,在第一段Pushover曲线结果明显大于IDA曲线结果,在第二段IDA曲线结果明显大于Pushover曲线结果。为了提高Pushover分析结果的准确性,分阶段提出修正系数,分别得到第一阶段的修正系数和第二阶段的修正系数,然后在此基础上,再考虑开洞率和不同楼层开洞的情况下,对修正系数进行调整。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 本课题研究的目的及意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 框架高层结构弹塑性有限元模型的建立及分析
• 2.1 有限元分析概述
• 2.1.1 引言
• 2.1.2 单元类型
• 2.1.3 材料本构关系模型
• 2.1.4 荷载与边界条件
• 2.1.5 加载子步与收敛准则
• 2.2 模型有限元分析
• 2.3 模型的验证
• 2.4 本章小结
• 第3章 楼板开洞率对结构抗震弹塑性能影响的结果分析
• 3.1 计算结果
• 3.2 楼层开洞率对顶层位移和层间最大位移影响的理论分析
• 3.2.1 引言
• 3.2.2 顶层位移与a/b 的关系
• 3.2.3 层间最大位移与a/b 的关系
• 3.2.4 a/b 与开洞率的关系
• 3.3 本章小结
• 第4章 不同层开洞对顶层位移和层间最大位移影响 的结果分析
• 4.1 计算结果
• 4.2 计算结果分析
• 4.2.1 不同楼层开洞对结构顶层位移的影响
• 4.2.2 不同楼层开洞对结构层间最大位移的影响
• 4.3 本章小结
• 第5章 楼板不连续高层的抗震设计
• 5.1 引言
• 5.2 Pushover 分析方法介绍
• 5.2.1 能力谱曲线
• 5.2.2 需求谱曲线
• 5.2.3 性能点的确定
• 5.2.4 逐步增量弹塑性时程分析方法简介
• 5.3 Pushover 结果分析
• 5.4 Pushover 分析方法的修正
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢