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中国国家大剧院结构抗震动力分析

郭秀华  
【摘要】:中国国家大剧院结构分析——该项目是太原理工大学与北京市建筑设计研究院合作项目,属国家大剧院结构设计中的一个工作环节。 国家大剧院属甲类建筑,在抗震设计与分析中,必然优先考虑其“安全性”而非“经济性”。该建筑结构占地面积大,高度为56m,充分利用地下空间,结构形式为多塔楼结构,其体形布置极其复杂,具体表现在:结构开间大,梁板跨度大,楼板开洞较大且不规则;平面布置以椭圆曲线为主,有较多剪力墙面为曲面;抗震设计以剪力墙为主,局部应用钢管混凝土柱形成的柔性框架与剪力墙共同作用;结构存在转换层,刚度突变层等。因此对该结构除进行常规必要的设计工作外,需进一步利用工程分析软件进行结构分析,本文利用有限元分析软件ANSYS对国家大剧院进行了结构抗震动力分析。 根据建筑抗震设计规范规定,对建筑结构应进行多遇地震作用下的内力与变形分析。其主要内容有: 1、有限元模型 该建筑结构采用三维空间有限元模型。 2、结构抗震验算 采用振型分解反应谱法进行小震作用下构件强度验算;采 太原理工大学硕士研究生学位论文 用时程分析法进行弹性变形计算。 3、弹塑性分析 对ConCert塔楼地上部分进行静力弹塑性分析,计算罕遇地 震下结构的变形。 通过对结构进行抗震动力分析,发现结构的基本动力特点 为:基频较高;频谱密集,局部振型明显;各振型中,主振型 频率附近各阶振型变形形状比较接近,彼此祸连较大,而且各 主振型之间存在较多次要振型;地震作用下,弹性层间位移角 较小,结构抗侧刚度大,抗震能力强。此外,本文找出了结构 主要薄弱部位,结构中出现材料刚度突变、大面积悬挑构件、 大跨度薄板、大跨度巨型梁以及大开洞板等情况时,均会导致 结构局部薄弱。 分析工作中,得出一些处理问题的新办法与经验,如: 1、钢管混凝土柱的简化建模 弹性分析中,根据侧向等刚度原则,将钢管混凝土柱简化 为等效普通混凝土柱进行建模与计算,在保证计算精度的前提 下,有效地减少了总自由度数。 2、主要模态的把握 大型结构有限元分析中,可根据结构各阶模态的参与系数、 模态系数及振型特点,找出结构分别在x、y、z方向的主要模 态。 3、结构薄弱部位的确定 针对每一构件—墙、梁、柱、板,对其单元节点应力、 太原理工大学硕士研究生学位论文 位移进行排序,找出其中前几十位较大值,根据这些节点的位 置坐标,即可找出结构的薄弱部位。 4、水平荷载模式的提出 在弹塑性分析中,首次提出和应用了空间结构有限元计算时 的水平加载模式,通过逐级加载进行分析,得出塑性铰分布和 发展情况,进一步判明结构的薄弱环节。 这些有益经验和结论对该类大型复杂结构抗震动力分析与 计算具有很好的参考价值。


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