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屋顶带钢塔的混凝土框架结构抗震性能分析

张磊  
【摘要】: 屋顶设置钢塔的多高层建筑结构,由于在屋顶处的刚度和质量发生了突变,发生地震时,钢塔受到经过主体结构强化、放大的振动激励,会产生显著的“鞭梢效应”。地震震害表明,在“鞭梢效应”的影响下,即使主体结构无震害或震害较轻,钢塔也会发生严重的破坏甚至倒塌。目前国内对于这种结构体系的抗震性能研究得较少,也尚无专门的设计规范或规程可供参考。因此,系统地研究屋顶带钢塔的结构体系,并给出屋顶钢塔地震作用的简化计算方法,是实际工程设计的迫切要求。 本文采用大型通用有限元软件ANSYS建立屋顶带钢塔的混凝土框架结构的三维空间有限元模型,用Lanczos法分析该结构体系以及钢塔和框架结构单独工作时的模态特性。从整体动力特性可以看出,当混凝土框架结构在地震作用下产生振动时,屋顶钢塔在框架结构屋顶层振动的激励下,产生二次型振动,发生显著的“鞭梢效应”。 对于这种屋顶设置钢塔由两种材料组成,具有不同阻尼耗能特性的结构,本文采用材料阻尼来处理此类结构的阻尼问题,这种方法比用等效粘滞阻尼比来表征钢塔和主体结构不同阻尼耗能特性更为精确。采用材料阻尼和整体阻尼比对屋顶带钢塔的框架结构体系进行时程分析,结果表明,非比例阻尼对于钢塔底部剪力的影响是不容忽视的,而对于框架结构则没有明显影响。 本文讨论了钢塔位于屋顶不同位置对钢塔地震反应的影响,也讨论了主体结构的高度对钢塔和主体结构地震反应的影响。总的来说,就框架结构而言,屋顶钢塔相当于一个TMD系统,在进行结构方案设计时,可不考虑屋顶钢塔的作用;而对钢塔而言,由于框架结构X方向的刚度比Z方向大,因而钢塔在X方向地震作用下的鞭梢效应更为明显,在对该种结构进行整体抗震验算时,应对屋顶钢塔进行X方向地震作用下的抗震验算。 以弹性时程分析为基础,调整屋顶钢塔的刚度,利用“比周期”这一综合参数讨论屋顶钢塔的增大系数,提出屋顶钢塔地震作用的简化计算方法。通过实例计算,验证了所提简化方法的正确性和适用性。最后提出了有关这种结构的抗震设计的若干建议。


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