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筒体结构拟动力试验及理论研究

陈伯望  
【摘要】: 筒体结构是高层和超高层建筑结构的重要结构形式之一,本文对筒体结构进行抗震性能试验研究和理论分析,主要进行了三个方面的研究工作:对筒体结构的动力特性进行实测,并提出简化计算方法;对动力方程的数值积分方法进行研究,提出拟动力试验动力方程新的数值积分手段;对两个筒体结构模型进行拟动力试验,研究其抗震性能并进行非线性静、动力分析。主要内容如下: (1)实测了钢筋混凝土筒中筒结构和钢管混凝土组合筒体结构两个模型的动力特性,获得了模型结构的自振频率、振型、阻尼比、模态质量、模态刚度、模态阻尼等结构动力特性参数的影响因素。 (2)提出了计算筒体结构动力特性的等效刚度理论,将结构简化为考虑弯剪变形的多质点体系,简化计算等效弯曲刚度和等效剪切刚度。用该方法计算了两个筒体结构模型的动力特性,与实测值及ANSYS分析结果吻合良好。 (3)基于Newmark-β方法,推导出了一种新的结构动力分析数值积分递推格式,在计算位移时,不需要计算速度和加速度等中间值,因而更为简单、方便。通过对结构动力方程精细时程积分方法的讨论,指出非齐次方程的精度控制在于荷载项积分方法的选择。分析了龙贝格积分、科茨积分和高斯积分方法等不同积分方法的精度及应用范围,为合理选择积分方法提供参考。 (4)以现有的单步法和Adams多步法为基础,提出了新的非线性精细动力积分的单步法和多步法。该方法将目前常用的2项精细积分变为3项,使其稳定性和计算精度均优于现有方法。本文非线性精细动力积分方法的创新具有较大的计算优势。以非线性精细动力积分多步法为基础,提出了新的拟动力试验数值积分方法,该方法在增大试验时间步长后的计算精度比中央差分法要高,因而试验工作可大量减少。 (5)用本文的显式多步积分方法进行了钢管混凝土组合筒体结构等效两自由度体系拟动力试验,研究了结构模型的弹性和塑性阶段的地震反应、抗震性能和破坏机理,完善和丰富了筒体结构的抗震试验方法和理论体系。合作完成了钢筋混凝土筒中筒结构模型6种工况的地震波加速度峰值的拟动力试验,研究了筒中筒结构抗震性能。 (6)对多垂直杆单元模型的单元刚度矩阵进行了修正,并提出了一种空间拓展的多垂直杆单元模型。拓展后的多垂直杆单元模型可以用来分析各种截面形式的钢筋混凝土墙肢、梁、异形柱、钢管混凝土柱和钢骨混凝土梁。本文的多垂直杆单元模型计算工作量小,应用范围广。 (7)利用本文的宏观杆单元模型和精细单步法对两个筒体结构模型分别进行


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