基于模态分析的结构扭转不规则问题研究

论文摘要

结构概念设计的宗旨是在特定的结构空间及环境条件下,用整体概念来考虑结构的总体方案,在方案阶段用概念性近似计算方法,迅速有效地对结构体系进行构思、比较与选择。目前,多采用定性的方法加以研究。模态分析主要用于研究结构的动力学问题,将其运用于结构一般性理论研究的尚不多见。事实上,结构的频率向量反映了结构自身绝对刚度和质量的分布情况,振型向量则反映了结构体系相对刚度和质量的分布情况。与反映结构体系细部受力特征的应力、应变相比,频率和振型能更好地从宏观上把握结构整体和局部的力学特性,且不涉及荷载工况的组合问题,因而更适合用于指导结构体系的概念设计和构造设计。有鉴于此,在国家自然科学基金项目“基于特征参量控制的工程结构设计方法研究”（项目批准号：50978232）的资助下,本论文从对结构“扭转不规则”定义的研究入手,着重进行了振型的量化分析以及基于振型分析的结构模糊概念界定问题的研究,以期为结构的概念设计方法提供新的思路,为建立基于结构固有特性的概念设计方法提供理论支持。具体工作如下：1)提出了振型量化描述的新方法。总结了现有振型的量化描述方法,借鉴振型方向因子法和质量参与系数法所提出的质量参与系数概念,提出了一种新的定量化描述振型的方法——振型方向系数法,更易于判断振型的主方向以及进行振型的定量化描述。2)研究了结构平面不规则程度与不良振型出现阶次间的对应关系问题。以框架-剪力墙结构三维有限元模型为例,通过调整剪力墙平面位置的方法,分别对不同层高、不同长宽比的框-剪结构,使其质量和刚度偏心并对其进行单因素分析,探求了将模态分析用于扭转不规则判别问题的新方法。3)探讨了平面狭长结构、凹凸不规则结构与结构不良振型间的关系问题。实例分析表明,平面狭长结构的长宽比与结构的扭转效应间具有显著的对应关系；结构的凹凸不规则性与局部振型出现的阶次间具有显著的对应关系。规范给出的关于狭长结构和凹凸不规则结构的限值是合理的。4)研究结果表明,基于振型分析的平面不规则结构的判别与规范给出的限值是接近的,说明这种思路是可行的；且这种基于结构固有特征参量的分析方法,与规范给出的位移比和周期比等指标相比,具有形象直观、易于计算,以及不涉及荷载作用问题等特点,是值得推广于结构概念设计的量化方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 本课题来源及研究意义
• 1.2 本课题国内外研究概况
• 1.2.1 模态分析的应用领域
• 1.2.2 平面不规则问题的研究
• 1.3 本论文的主要工作
• 2 现有规范对扭转问题的规定
• 2.1 国内外抗震规范关于扭转（不）规则性的定义
• 2.2 我国规范对平面不规则的界定
• 2.2.1 《抗规》中对平面不规则问题的规定
• 2.2.2 《高规》中对平面不规则问题的规定
• 3 关于扭转振型的定量化描述方法
• 3.1 模态分析概述
• 3.2 振型描述定量化的意义
• 3.3 现有的振型描述定量化的方法
• 3.3.1 振型方向因子法
• 3.3.2 振型质量参与系数法
• 3.4 本文采用的方法
• 3.4.1 理论依据
• 3.4.2 方向系数的推导
• 3.4.3 振型主方向的判别
• 3.4.4 验证
• 4 模态分析在结构扭转问题中的应用研究
• 4.1 平面扭转不规则问题的研究
• 4.1.1 引起结构扭转振动的原因
• 4.1.2 对《抗规》和《高规》中关于扭转不规则判别指标的讨论
• 4.1.3 基于模态分析的扭转不规则判别的研究
• 4.2 平面凹凸不规则问题的研究
• 4.2.1 平面过于狭长
• 4.2.2 凸出太细
• 4.2.3 凹进太多
• 4.3 本章小结
• 5 结论和展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 在学期间发表的学术论文
• 致谢