复杂体型方钢管混凝土框架结构抗震性能和减震研究

论文摘要

本文以国内首幢采用消能减震技术方钢管混凝土框架结构的高层建筑为研究核心，从矩形钢管混凝土柱的仿真分析、整体结构的振动台试验及弹塑性时程分析、粘滞阻尼器消能减震等三方面进行了一系列相互关联的研究工作，主要内容包括：1．在分析总结已有模型的基础上，提出一种可以考虑矩形钢管混凝土钢管壁双轴应力状态和局部屈曲的钢材等效单轴应力-应变滞回模型及相应的内填混凝土单轴应力-应变滞回模型。2．将二阶有限单元柔度法和纤维模型梁柱单元相结合，推导了柔度法纤维模型梁柱单元的计算公式，并提出了几点改进措施，解决了该模型中截面切线刚度矩阵奇异时无法求逆得到截面切线柔度矩阵的问题，提高了算法的稳定性：结合本文建议的矩形钢管混凝土组成材料的单轴应力．应变滞回模型编制了框架结构三维非线性分析程序，并通过16根矩形钢管混凝土柱的计算结果和试验结果的对比，验证了程序的可靠性。运用此程序对本文结构中的方钢管混凝土柱进行了一系列的力学性能分析，为后续整体结构的计算分析提供依据。’3．对本文结构进行了1／15缩尺模型的振动台试验，对该结构的动力特性、地震反应和阻尼器的减震效果进行了分析研究，并提出了改进建议：在此基础上，采用多弹簧模型对振动台试验的模型结构进行模态分析和非线性时程分析，所得计算结果和试验结果吻合较好，验证了计算模型的正确性；然后，以同样方法对改进后的原型结构进行了计算分析，研究了该结构在各级地震作用下的反应特征以及大震下的屈服机制，进而对其抗震性能做出了评估。4．编制了单自由度消能结构的非线性时程分析程序，并对其进行了一系列的参数分析，在此基础上，提出了一种实用的减震结构优化设计方法，并对本文结构进行了减震设计，得出了两种不同减震目标的减震方案，结合阻尼器均匀布置方案对本文结构进行了计算分析，通过分析计算结果，对各种减震方案的减震效果进行了对比，并研究分析了小震和大震下减震结构的地震反应特点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 结构动力弹塑性地震反应分析研究现状
• 1.2.1 结构整体动力计算模型
• 1.2.2 单元分析模型
• 1.2.3 恢复力模型
• 1.3 钢管混凝土结构体系的抗震性能研究现状
• 1.3.1 钢管混凝土结构体系抗震试验研究现状
• 1.3.2 钢管混凝土结构体系数值分析研究现状
• 1.4 结构振动控制及消能减震技术
• 1.4.1 结构振动控制概述
• 1.4.2 消能减震技术
• 1.5 本文的主要研究内容和方法
• 第2章 矩形钢管混凝土组成材料的单轴应力-应变滞回模型
• 2.1 引言
• 2.2 单轴滞回模型的准确性和完备性
• 2.3 钢材的单轴应力-应变滞回模型
• 2.3.1 一般模型
• 2.3.2 改进模型
• 2.3.3 本文建议的钢材单轴应力-应变滞回模型
• 2.4 内填混凝土的单轴应力-应变滞回模型
• 2.4.1 现有矩形钢管混凝土内填混凝土的受压骨架曲线
• 2.4.2 内填混凝土和钢管单轴骨架曲线之间的相关性
• 2.4.3 本文建议的内填混凝土单轴骨架曲线
• 2.4.4 本文建议的内填混凝土单轴应力-应变滞回模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于有限单元柔度法的梁柱单元分析理论
• 3.1 引言
• 3.2 单元力与变形的描述
• 3.3 一阶有限单元柔度法梁柱单元分析理论
• 3.3.1 基本理论
• 3.3.2 单元状态的确定
• 3.4 二阶有限单元柔度法梁柱单元分析理论
• 3.4.1 基本理论
• 3.4.2 单元积分点处位移及其对杆端力的导数
• 3.4.3 单元状态的确定
• 3.5 确定截面状态的纤维模型法
• 3.5.1 纤维模型法的基本假定
• 3.5.2 纤维模型法的截面状态确定
• 3.6 增强程序收敛性的几项改进措施
• 3.6.1 迭代过程中滞回路径的追踪问题
• 3.6.2 截面切线刚度矩阵无法求逆的问题
• 3.7 小结
• 第4章 矩形钢管混凝土柱仿真分析
• 4.1 引言
• 4.2 矩形钢管混凝土柱的滞回分析及试验验证
• 4.3 方钢管混凝土柱的力学性能分析
• 4.3.1 轴压比的影响
• 4.3.2 长细比及二阶效应的影响
• 4.3.3 加载角度的影响
• 4.4 CANNY程序中多弹簧模型计算参数确定
• 4.4.1 CANNY中的改进多弹黄模型
• 4.4.2 CANNY中的材料单轴滞回模型
• 4.4.3 方钢管混凝土柱的多弹赞模型仿真分析
• 4.5 小结
• 第5章 消能减震高层方钢管混凝土框架结构振动台试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 工程概况
• 5.3 模型设计与制作
• 5.3.1 相似关系
• 5.3.2 模型制作
• 5.4 试验方案
• 5.4.1 传感器布置
• 5.4.2 试验输入地震波及试验步骤
• 5.5 模型结构试验结果
• 5.5.1 模型结构试验现象
• 5.5.2 模型结构动力特性
• 5.5.3 模型结构加速度反应
• 5.5.4 模型结构位移反应
• 5.5.5 模型结构惯性力及层剪力反应
• 5.5.6 模型结构的扭转反应
• 5.5.7 模型结构阻尼器消能减震效果分析
• 5.6 原型结构抗震性能分析
• 5.6.1 原型结构动力特性
• 5.6.2 原型结构位移反应
• 5.6.3 原型结构剪力反应
• 5.6.4 原型结构消能减展效果评估
• 5.6.5 结构设计改进建议
• 5.7 小结
• 第6章 高层方钢管混凝土框架结构非线性时程分析
• 6.1 引言
• 6.2 结构及单元计算模型
• 6.3 模型结构计算分析及试验验证
• 6.3.1 模型结构动力特性对比
• 6.3.2 模型结构顶点位移反应对比
• 6.3.3 模型结构层间位移反应包络值对比
• 6.3.4 模型结构层间剪力包络值对比
• 6.3.5 模型结构破坏现象对比
• 6.3.6 对比结果小结
• 6.4 原型结构计算分析
• 6.4.1 原型结构动力特性
• 6.4.2 原型结构层间位移反应
• 6.4.3 原型结构层间剪力反应
• 6.4.4 原型结构扭转反应
• 6.4.5 原型结构屈服机制
• 6.4.6 原型结构阻尼器消能减震效果简述
• 6.5 本章小结
• 第7章 粘滞阻尼器消能减展分析研究
• 7.1 引言
• 7.2 单自由度消能体系参数分析
• 7.2.1 分析模型及求解方法
• 7.2.2 阻尼器支撑刚度对减震效果的影响
• 7.2.3 阻尼器控制力比例对减震效果的影响
• 7.2.4 单自由度体系在不同阻尼比下的减震曲线
• 7.3 粘滞流体阻尼器减震结构优化设计方法
• 7.3.1 附加阻尼比的确定
• 7.3.2 阻尼器参数及数量的确定
• 7.3.3 阻尼器安装位置的优化
• 7.4 本文结构阻尼器减震设计方案及效果分析
• 7.4.1 阻尼器减震设计方案
• 7.4.2 小震下阻尼器减震效果分析
• 7.4.3 大震下阻尼器减震效果分析
• 7.5 本章小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 本文主要结论
• 8.2 进一步的工作方向方向
• 致谢
• 参考文献
• 在读期间发表的学术论文与研究成果