钢管混凝土框架—抗震墙非线性地震响应分析
|
摘要
虽然钢管混凝土是由钢管和混凝土两种材料组成，但它们的共同工作是可靠的，所以根据统一理论，宏观上可视其为一种“组合材料”。本文采用钢管混凝土组合指标设计方法，对框架—抗震墙地震响应性能，进行了以下几方面的研究：
(1)把由钢筋混凝土柱构成的框架—抗震墙结构与由钢管混凝土柱构成的框架—抗震墙结构作为两种方案，选取相应的动力学方程，来描述框架—抗震墙的非线性动力性能，并根据实际，选用适当的动力求解方法；
(2)采用有限元分析软件ANSYS，分别建立了两种方案的结构模型，作为动力分析的基础，分析两者的自振特性；
(3)按三种工况：一维、二维及三维地震动输入，分析钢管混凝土柱框架—抗震墙在一致激励下的几何非线性与材料非线性的动力特性；
(4)通过两种结构体系动力特性、几何非线性和材料非线性地震响应性能的比较研究，综合评定了钢管混凝土结构的抗震性能，为该类结构的设计和施工提供了一定的参考依据；
(5)采用有限元分析法，从结构整体工作性能的角度证明，钢管混凝土用于高层建筑在承载能力、变形能力、滞回耗能等抗震性能方面有突出的优点。
The concrete filled steel tubular (CFST) is considered as a composite material and the co-work of steel and concrete is reliable. Depend on composite indexes design method, dynamic behavior for frame-shear wall structure were studied as follows:
1. The reinforced concrete (RC) column and CFST column of frame-shear wall are used as two kinds of projects and Responsible formulations were used to describe the frame-shear wall structure' nonlinear dynamic actions while appropriate method was chosen to solve these problems on the base of forgone researches.
2.The finite element models of the structures were formed through reasonable simplification and modal shapes were studied by using the program ofANSYS.
3. The frame-shear wall structure' responses to uniform excitation of earthquake were discussed. The geometric and material nonlinear beings were considered in the horizontal, vertical and three dimensions situations.
4. An RC corresponding to CFST column frame-shear wall were introduced whose responses to uniform excitations with dynamic actions, geometric and material nonlinear being considered. Comparing the calculation results, the earthquake resistant behavior of the CFST structure has been appraised synthetically which may be referenced for structure design.
5.Though infinite element analysis structure and in a general behavior aspect, there were unique advantages in seismic behaviors such as higher load bearing, deformation behavior, dissipated hysteric energy and so on.
(1)把由钢筋混凝土柱构成的框架—抗震墙结构与由钢管混凝土柱构成的框架—抗震墙结构作为两种方案，选取相应的动力学方程，来描述框架—抗震墙的非线性动力性能，并根据实际，选用适当的动力求解方法；
(2)采用有限元分析软件ANSYS，分别建立了两种方案的结构模型，作为动力分析的基础，分析两者的自振特性；
(3)按三种工况：一维、二维及三维地震动输入，分析钢管混凝土柱框架—抗震墙在一致激励下的几何非线性与材料非线性的动力特性；
(4)通过两种结构体系动力特性、几何非线性和材料非线性地震响应性能的比较研究，综合评定了钢管混凝土结构的抗震性能，为该类结构的设计和施工提供了一定的参考依据；
(5)采用有限元分析法，从结构整体工作性能的角度证明，钢管混凝土用于高层建筑在承载能力、变形能力、滞回耗能等抗震性能方面有突出的优点。
The concrete filled steel tubular (CFST) is considered as a composite material and the co-work of steel and concrete is reliable. Depend on composite indexes design method, dynamic behavior for frame-shear wall structure were studied as follows:
1. The reinforced concrete (RC) column and CFST column of frame-shear wall are used as two kinds of projects and Responsible formulations were used to describe the frame-shear wall structure' nonlinear dynamic actions while appropriate method was chosen to solve these problems on the base of forgone researches.
2.The finite element models of the structures were formed through reasonable simplification and modal shapes were studied by using the program ofANSYS.
3. The frame-shear wall structure' responses to uniform excitation of earthquake were discussed. The geometric and material nonlinear beings were considered in the horizontal, vertical and three dimensions situations.
4. An RC corresponding to CFST column frame-shear wall were introduced whose responses to uniform excitations with dynamic actions, geometric and material nonlinear being considered. Comparing the calculation results, the earthquake resistant behavior of the CFST structure has been appraised synthetically which may be referenced for structure design.
5.Though infinite element analysis structure and in a general behavior aspect, there were unique advantages in seismic behaviors such as higher load bearing, deformation behavior, dissipated hysteric energy and so on.
引文
【1】钟善桐·高层钢管混凝土结构·黑龙江科学技术出版社，1999
【2】钟善桐·钢管混凝土结构·修订版·黑龙江科学技术出版社，1994
【3】吕西和、金国芳、吴晓涵·钢筋混凝土结构非线性有限元理论与应用·同济大学出版社，1997
【4】魏琏·高层及多层钢混凝土建筑抗震设计手册·地震出版社，1990
【5】赵西安·钢筋混凝土高层结构设计·修订版·中国建筑工业出版社，1995
【6】周氐、康清梁、童保全·现代钢筋混凝土基本理论·上海交通大学出版社·1989
【7】沈聚敏、周锡元、高小旺、刘晶波·抗震工程学·中国建筑工业出版社，2000
【8】胡聿贤．地震工程学．地震出版社，1988年
【9】朱伯龙、张琨联·建筑结构抗震设计原理·同济大学出版社，1998
【10】钟善桐·钢管混凝土中钢管和混凝土的共同工作·哈尔滨建筑大学学报·2001，第1期：6-10
【11】杨有福、韩林海、范喜哲·钢管混凝土动力性能研究现状·哈尔滨建筑大学学报·2000，第5期：40-45
【12】李向真、程国亮、于德介·钢管混凝土结构的弹塑性时程分析·世界地震工程，Vol 18(1)，2002：73～78
【13】包世华、方鄂华·高层建筑结构设计·第二版·清华大学出版社，1996年
【14】韩林海·钢管混凝土框架结构理论分析方法初步研究·哈尔滨建筑大学学报·1995，第3期：22-28
【15】韩林海、钟善桐·高层钢管混凝土框架结构分析方法的初步探讨·工业建筑·1995，第10期：11-17
【16】查晓雄、唐家祥、钟善桐·钢管混凝土抗弯刚度研究及在框架分析中的应用·哈尔滨建筑大学学报·1998，第5期：40-45
【17】章丛俊、高振世、赵海·高层框架-筒体结构弹塑性地震反应分析·南京建筑工程学院学报·1996，第3期：42-50
【18】中华人民共和国建设部，国家质量监督检验检疫总局：GB50011-2001·建筑抗震设计规范·中国建筑工业出版社，2001
【19】Ray W.Clough, Joseph Penzien. DYNAMICS OF STRUCTURES. TA654C6, 1993
【20】吴家龙．弹性力学．同济大学出版社，1996年
【21】蔡绍怀·我国钢管混凝土结构技术的最新发展·土木工程学报·1999，第4期：16-26
【22】周起敬、姜维山、潘泰华·《钢与混凝土组合结构设计施工手册》-钢管混凝土结构部分(第5章)·中国建筑工业出版社，1993
【23】Chen E S, Buyukoaturk O·Constitutive Model for Concrete in Cyclic Compression·Journal of Engineering Mechanics, ASCE, 1985,111(EM6): 799-813
【24】Pagnoni T.Slater J, Ameur-Moussa R·A Nonlinear Three-Dimensional Analysis of Concrete Based on a Bounding Surface Model·Computer and Structure, 1992, 43(1)
【25】S T Zhong·New Concept of Development of Research on CFST Members·The 2nd International Symposium of Civil Infrastructure System (Main Theme Composite and Hybrid Structures), 1996
【26】M.Shams, M.A.Saadeghvaziri·Nonlinear Response of Concrete-Filled Steel Tubular Columns under Axial Loading·ACI Structural Journal (Technical Paper), November-December 1999
【27】Park R T·Seismic Performance of Steel Encased Concrete Piles: [dissertation]·New Zealand: University of Canterbury, 1987
【28】Ostapenko A, Gunzelman S X·Local Buckling of Tubular Steel Concrete Columns·In: Proc Nat Eng Conf Methods of Structural Analysis·ASCE (Madison Wisconsin), 1976
【29】D X Mo, X Y Yang·Design and Construction of Frame with CFST Columns tbr Talin Kailn Workshop·In: Proc of 3rd International Conference on Steel-Concrete Composite Structure (Fukuoka Japan), 1991
【30】Katsuhiko Endoh et al·Design and Construction of 37-Storied Condominium with CFST Columns·In: Proc of 3rd International Conference on Steel-Concrete Composite Structure (Fukuoka Japan), 1991
【31】M J N Priestley, R J T Park·CSFT Piles under Seismic Loading·In: Proc the International Specialty Conference on Concrete Filled Steel Tubular Structures (Harbin China), 1985
【32】Cheng Yuan, Xu fei, Xu Zhao-you, Xu Xun-chang·Experimental Research on Dynamic Behavior of Basic CFST Elements·In: Proc the International Specialty Conference on Concrete Filled Steel Tubular Structures (Harbin China), 1985
【33】中华人民共和国行业标准：JGJ3-2001 J186-2002·高层建筑混凝土结构技术规程·中国建筑工业出版社，2002
【36】丁皓江，谢贻权．弹性和塑性力学中的有限单元法．机械工业出版社，1989年
【37】王瑁成，邵敏．有限单元法基本理论和数值方法．清华大学出版社，1997年
【38】邓军等．时程分析法输入地震记录的选择与实例．工业建筑，Vol30(8)，2000：9～12
【39】黄襄云等．钢管混凝土结构抗震性能的比较研究．世界地震工程，Vol 17(2)，2001：86～89
【40】江津等．钢筋混凝土框架—剪力墙结构抗空间的非线性地震反应分析．湖南大学学报，Vol24(5)，1997：79～85
【41】李斌等．钢管混凝土框架结构抗震性能试验研究．包头钢铁学院学报程，Vol 21(2)，2002：174～178
【42】蔡松柏等．钢筋混凝土剪力墙结构非线性动力响应的有限元法．世界地震工程，Vol14(2)，1998：54～62
【43】江近仁等．钢筋混凝土框架-剪力墙结构的非线性地震反应分析现状．世界地震工程，Vol13(2)，1997：30～36
【44】邓向阳·在水平荷载作用下框-剪结构的有限元分析研究：【硕士学位论文】·西南交通大学，1995：19-28
【45】邵长江·大跨度悬索拱桥地震响应分析：【硕士学位论文】·西南交通大学，2003
【46】刘宇晨·钢管混凝土空间桁架筒体结构的非线性动力分析：【硕士学位论文】·西南交通大学，2001
【47】曹明星·考虑底部两层框架—抗震墙砖房楼板变形的有限元分析：【硕士学位论文】·西南交通大学，2002
【48】钟锡根等．内框架房屋抗震的空间分析．建筑结构学报，1984(4)
【49】江津等．钢筋混凝土框架—剪力墙结构非线性地震反应的一种空间力学模型．计算力学学报，Vol 15(3)，1998：281～287
【50】于建华、谢用九、魏泳涛．高等结构动力学，四川大学出版社，2001年
【51】朱伯芳．有限元法原理与应用．中国水利水电出版社，2000年
【52】赵西安．现代高层建筑结构设计．科学出版社，2000年
【53】陈精一等．电脑辅助工程分析—ANSYS使用指南．中国铁道出版社，2001年
【54】夸克工作室．有限元分析(基础篇)—ANSYS与Matalab．清华大学出版社，2002年
【55】包头钢铁设计研究院等．钢结构设计与计算．机械工业出版社，2002年
【56】张大旭、张素梅．钢管混凝土梁柱节点动力性能试验研究．哈尔滨建筑大学学报，Vol 34(1)，2001：21～27
【2】钟善桐·钢管混凝土结构·修订版·黑龙江科学技术出版社，1994
【3】吕西和、金国芳、吴晓涵·钢筋混凝土结构非线性有限元理论与应用·同济大学出版社，1997
【4】魏琏·高层及多层钢混凝土建筑抗震设计手册·地震出版社，1990
【5】赵西安·钢筋混凝土高层结构设计·修订版·中国建筑工业出版社，1995
【6】周氐、康清梁、童保全·现代钢筋混凝土基本理论·上海交通大学出版社·1989
【7】沈聚敏、周锡元、高小旺、刘晶波·抗震工程学·中国建筑工业出版社，2000
【8】胡聿贤．地震工程学．地震出版社，1988年
【9】朱伯龙、张琨联·建筑结构抗震设计原理·同济大学出版社，1998
【10】钟善桐·钢管混凝土中钢管和混凝土的共同工作·哈尔滨建筑大学学报·2001，第1期：6-10
【11】杨有福、韩林海、范喜哲·钢管混凝土动力性能研究现状·哈尔滨建筑大学学报·2000，第5期：40-45
【12】李向真、程国亮、于德介·钢管混凝土结构的弹塑性时程分析·世界地震工程，Vol 18(1)，2002：73～78
【13】包世华、方鄂华·高层建筑结构设计·第二版·清华大学出版社，1996年
【14】韩林海·钢管混凝土框架结构理论分析方法初步研究·哈尔滨建筑大学学报·1995，第3期：22-28
【15】韩林海、钟善桐·高层钢管混凝土框架结构分析方法的初步探讨·工业建筑·1995，第10期：11-17
【16】查晓雄、唐家祥、钟善桐·钢管混凝土抗弯刚度研究及在框架分析中的应用·哈尔滨建筑大学学报·1998，第5期：40-45
【17】章丛俊、高振世、赵海·高层框架-筒体结构弹塑性地震反应分析·南京建筑工程学院学报·1996，第3期：42-50
【18】中华人民共和国建设部，国家质量监督检验检疫总局：GB50011-2001·建筑抗震设计规范·中国建筑工业出版社，2001
【19】Ray W.Clough, Joseph Penzien. DYNAMICS OF STRUCTURES. TA654C6, 1993
【20】吴家龙．弹性力学．同济大学出版社，1996年
【21】蔡绍怀·我国钢管混凝土结构技术的最新发展·土木工程学报·1999，第4期：16-26
【22】周起敬、姜维山、潘泰华·《钢与混凝土组合结构设计施工手册》-钢管混凝土结构部分(第5章)·中国建筑工业出版社，1993
【23】Chen E S, Buyukoaturk O·Constitutive Model for Concrete in Cyclic Compression·Journal of Engineering Mechanics, ASCE, 1985,111(EM6): 799-813
【24】Pagnoni T.Slater J, Ameur-Moussa R·A Nonlinear Three-Dimensional Analysis of Concrete Based on a Bounding Surface Model·Computer and Structure, 1992, 43(1)
【25】S T Zhong·New Concept of Development of Research on CFST Members·The 2nd International Symposium of Civil Infrastructure System (Main Theme Composite and Hybrid Structures), 1996
【26】M.Shams, M.A.Saadeghvaziri·Nonlinear Response of Concrete-Filled Steel Tubular Columns under Axial Loading·ACI Structural Journal (Technical Paper), November-December 1999
【27】Park R T·Seismic Performance of Steel Encased Concrete Piles: [dissertation]·New Zealand: University of Canterbury, 1987
【28】Ostapenko A, Gunzelman S X·Local Buckling of Tubular Steel Concrete Columns·In: Proc Nat Eng Conf Methods of Structural Analysis·ASCE (Madison Wisconsin), 1976
【29】D X Mo, X Y Yang·Design and Construction of Frame with CFST Columns tbr Talin Kailn Workshop·In: Proc of 3rd International Conference on Steel-Concrete Composite Structure (Fukuoka Japan), 1991
【30】Katsuhiko Endoh et al·Design and Construction of 37-Storied Condominium with CFST Columns·In: Proc of 3rd International Conference on Steel-Concrete Composite Structure (Fukuoka Japan), 1991
【31】M J N Priestley, R J T Park·CSFT Piles under Seismic Loading·In: Proc the International Specialty Conference on Concrete Filled Steel Tubular Structures (Harbin China), 1985
【32】Cheng Yuan, Xu fei, Xu Zhao-you, Xu Xun-chang·Experimental Research on Dynamic Behavior of Basic CFST Elements·In: Proc the International Specialty Conference on Concrete Filled Steel Tubular Structures (Harbin China), 1985
【33】中华人民共和国行业标准：JGJ3-2001 J186-2002·高层建筑混凝土结构技术规程·中国建筑工业出版社，2002
【36】丁皓江，谢贻权．弹性和塑性力学中的有限单元法．机械工业出版社，1989年
【37】王瑁成，邵敏．有限单元法基本理论和数值方法．清华大学出版社，1997年
【38】邓军等．时程分析法输入地震记录的选择与实例．工业建筑，Vol30(8)，2000：9～12
【39】黄襄云等．钢管混凝土结构抗震性能的比较研究．世界地震工程，Vol 17(2)，2001：86～89
【40】江津等．钢筋混凝土框架—剪力墙结构抗空间的非线性地震反应分析．湖南大学学报，Vol24(5)，1997：79～85
【41】李斌等．钢管混凝土框架结构抗震性能试验研究．包头钢铁学院学报程，Vol 21(2)，2002：174～178
【42】蔡松柏等．钢筋混凝土剪力墙结构非线性动力响应的有限元法．世界地震工程，Vol14(2)，1998：54～62
【43】江近仁等．钢筋混凝土框架-剪力墙结构的非线性地震反应分析现状．世界地震工程，Vol13(2)，1997：30～36
【44】邓向阳·在水平荷载作用下框-剪结构的有限元分析研究：【硕士学位论文】·西南交通大学，1995：19-28
【45】邵长江·大跨度悬索拱桥地震响应分析：【硕士学位论文】·西南交通大学，2003
【46】刘宇晨·钢管混凝土空间桁架筒体结构的非线性动力分析：【硕士学位论文】·西南交通大学，2001
【47】曹明星·考虑底部两层框架—抗震墙砖房楼板变形的有限元分析：【硕士学位论文】·西南交通大学，2002
【48】钟锡根等．内框架房屋抗震的空间分析．建筑结构学报，1984(4)
【49】江津等．钢筋混凝土框架—剪力墙结构非线性地震反应的一种空间力学模型．计算力学学报，Vol 15(3)，1998：281～287
【50】于建华、谢用九、魏泳涛．高等结构动力学，四川大学出版社，2001年
【51】朱伯芳．有限元法原理与应用．中国水利水电出版社，2000年
【52】赵西安．现代高层建筑结构设计．科学出版社，2000年
【53】陈精一等．电脑辅助工程分析—ANSYS使用指南．中国铁道出版社，2001年
【54】夸克工作室．有限元分析(基础篇)—ANSYS与Matalab．清华大学出版社，2002年
【55】包头钢铁设计研究院等．钢结构设计与计算．机械工业出版社，2002年
【56】张大旭、张素梅．钢管混凝土梁柱节点动力性能试验研究．哈尔滨建筑大学学报，Vol 34(1)，2001：21～27