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考虑地震空间效应的大跨度空间结构抗震分析与设计方法

张笈玮  
【摘要】: 近年来,我国陆续建成了一批形式新颖、规模宏大的大跨度空间建筑。与传统建筑结构相比,大跨度空间建筑结构尺度大,地震空间效应的影响不容忽视,而现行设计规范无法考虑、难以满足抗震安全性要求,因此针对大跨度空间结构的特点,建立考虑地震空间效应的大跨度空间结构抗震设计方法,已经成为工程界和学术界迫切需要解决的关键科学问题。 本文基于随机振动理论,系统研究了大跨度空间结构随机地震响应分析的相关算法、地震动场模型以及地震空间效应的影响,建立了考虑地震空间效应的大跨度空间结构抗震设计方法。主要研究工作与创新成果包括以下几个方面: (1)在原有虚拟激励算法的基础上,改进了多点激励虚拟激励算法,提高了大跨度空间结构随机地震响应分析的计算效率,使算法更便于在实际抗震设计中应用,并根据改进后的算法编制了结构随机地震响应分析程序。 (2)针对现有Ritz向量叠加法的不足,建立了一种带Rayleigh商偏移的Ritz向量叠加法。分析了现有Ritz向量截断标准存在的问题,提出了相应的修正建议。引入本征正交分解法(POD法)求解统计占优的前几阶本征模态作为计算Ritz向量的地震荷载空间分布向量,将Ritz向量叠加法与虚拟激励法结合起来,提高了多点激励下大跨度空间结构随机地震响应分析的计算效率。 (3)建立了相对位移谱与结构相对位移响应峰值均值之间的联系,参考《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)中地震反应谱曲线的分段表示方法,给出了地面加速度分段功率谱密度曲线。在现有随机地震动场模型的基础上,同时考虑地震动的三维平动分量和空间变化特性,建立了多维、多点输入的随机地震动场模型。 (4)通过理论分析和数值模拟,研究了行波效应、部分相干效应和局部场地效应对大跨度空间结构地震响应的影响。给出了结构地震响应峰值随地面视波速变化的规律,部分相干效应随结构跨度和激励频率的变化规律以及局部场地效应对城市大跨度空间结构地震响应的影响程度,为大跨度空间结构抗震设计提供了参考依据。 (5)通过理论分析和数值模拟,研究了地震空间效应影响大跨度空间结构地震响应的一般规律,提出了考虑地震空间效应的大跨度空间结构抗震设计的一般步骤及建议。


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