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高层建筑带支撑钢框架结构动力可靠度理论及应用

方兴华  
【摘要】:尽可能依据概率和可靠度理论开展设计是结构工程行业的必然要求,因为这样,才能使设计的结构既经济合理又安全可靠。随着高层和超高层钢结构的广泛应用,结构“柔”的问题愈显突出,研究这类结构的抗风和抗震可靠性及其振动控制,在理论上要面临很大挑战,经济上将会产生巨大效益。 本文研究高层建筑带支撑钢框架结构抗风抗震的非线性可靠度问题。首先,基于M.F.Giberson单分量模型推导出可考虑二阶效应,材料非线性及剪切变形的杆单元刚度矩阵;详细研究了节点区的受力变形特性后,把节点区变形的影响纳入到以上单元刚度矩阵中;利用杆系——层间模型,并通过直接刚度法建立了结构非线性振动方程,这一方程是迄今最完备且适用的高层钢结构动力方程。其次,在结构抗风随机动力分析的基础上,本文研究了抗风结构基于安全性和舒适性的可靠度适用算法;首次对安全可靠度和舒适可靠度进行对比研究,算例表明,就这两种可靠度而言,高层钢结构往往较易满足安全可靠度,但却较难满足舒适可靠度;舒适可靠度通常不被设计者关注,但却影响建筑的正常使用。再其次,本文严密推导了高层钢结构浅水TLD控制的计算理论,详细地分析研究了TLD各参数对控制减振效果的影响,并提出了TLD的优化设计方法,基于大量的数值分析,建议了TLD参数的适用取值范围;结合算例研究表明,TLD是经济有效的抗风控制装置。最后,针对现行抗震结构设计方法,本文建议高层钢结构抗震检验重点应放在“中震可修、大震不倒”方面;提出了结构屈服后整体刚度系数α与其相应的位移延伸率μ的关系式;采用等效线性化法推导出了结构随机地震反应的计算公式;以层间位移角极限为首次超越破坏机制的临界值,推导了结构抗震可靠度的计算公式;结合算例研究表明,二阶效应和场地类别对结构抗震可靠度具有显著影响。 本文开展的研究密切结合现行规范,所使用的有关参数均按规范取值,算例富有代表性且具实际工程背景,因而研究成果具有理论意义和工程实际意义。


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