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高层建筑筒体结构理论分析及拟动力试验研究

陆铁坚  
【摘要】: 本文结合国家自然科学基金项目(50478092、50438020),主要进行两方面研究:第一,以高层建筑筒中筒结构计算方法为研究对象,基于连续介质力学、柱壳弹性理论以及结构分析有限条元法理论,分别对高层建筑筒中筒结构静力、动力、整体稳定及二阶分析等方面进行全面系统的研究,提出了一种高层建筑筒中筒结构静力、动力、整体稳定及二阶分析计算的新方法;第二,完成了一座15层的高层钢-混凝土混合结构拟动力试验研究,并采用有限元软件对其进行非线性分析。主要研究成果如下: (1)提出了任意平面形状高层建筑筒体结构在弯曲和扭转联合作用下三维静力分析的改进条元法,扩展了传统有限条元法应用范围。该方法根据柱壳理论构造了一种柱壳曲条,选取条元位移函数:条元内位移沿条宽方向,切向位移采用一次Langrange插值,法向位移和截面翘曲位移采用三次Hermite插值,能较好地反应筒体受力的“剪切滞后”效应;采用一族能较好地逼近弯剪型变形曲线的正交多项式作位移基函数,克服了传统有限条元法采用悬臂梁振型函数或三角函数作位移基函数导致基底剪应力为零的缺点。 (2)提出了任意平面形状高层建筑筒体结构动力特性分析的改进条元法。该方法考虑弯扭耦联振动,推导了柱壳曲条相容质量矩阵和楼板相容质量矩阵。采用竖向无质量自由度静力凝聚法,使动力分析自由度大为减少。其自由度总数与筒体结构高度无关,只与位移函数按基函数展开时所取的项数有关。 (3)提出了任意平面形状高层建筑筒体结构整体稳定及二阶分析的改进条元法。该方法在条元总势能中,计入竖向荷载产生荷载势能,由势能驻值原理,推导了柱壳曲条的几何刚度矩阵。 (4)通过试验得出了7种不同地震作用工况下混合结构的顶部位移时程曲线、楼层最大位移包络图、楼层最大层间位移角图及底部剪力一顶部位移滞回曲线。大震阶段顶部位移达到结构高度的1/60,说明混合结构具有良好的极限变形能力。 (5)按7度设防,在7度基本、7度罕遇地震作用下,结构处于弹性工作状态,无明显破坏特征;在8、9度罕遇地震作用下,连梁开裂,楼板及底层筒体出现裂缝,但钢框架未发生屈服,结构仍具有较大承载力;在地震波峰值加速度达到1.0g、1.6g地震作用下,连梁开裂严重,出现交叉斜裂缝,呈剪切型破坏,核心筒底部与基础连接处出现水平通缝,部分底层钢柱屈服,但结构并未完全破坏,仍具有一定的承载能力。因此,只要设计合理,钢—混凝土混合结构具有良好的抗震性能,能实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计目标。 (6)通过试验得出了7种不同地震作用工况下混合结构水平力分担曲线。此类结构在弹性阶段,心筒承担大部分的水平力,随着心筒开裂,内力发生重分布,钢框架承担水平力增加,且随着地震加剧,钢框架承担水平力比例不断增大,钢框架起到了抗震第二道防线的作用。 (7)采用有限元软件对混合结构在7种不同地震作用工况下破坏过程进行了数值模拟,得到了顶部位移时程曲线、水平力分担曲线和结构损伤破坏过程,其规律与试验结果吻合良好,试验结果验证了有限元分析的正确性。因此,对一些大型复杂结构可用有限元理论模拟地震作用下结构的破坏过程。


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