简谐荷载作用下钢筋混凝土框架动力响应分析
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摘要
在某些特殊环境中，建筑结构会遭受简谐荷载的作用，产生较大变形，影响建筑物正常使用。本文在广泛查阅国内外关于钢筋混凝土框架结构动力研究成果的基础上，建立了实用的动力分析有限元模型，进行了钢筋混凝土框架结构在简谐荷载作用下的动力响应分析。
本文主要内容包括：针对钢筋混凝土框架结构自振动力特性以及动力响应随结构形式变化的特点，设计了不同的平面杆系有限元模型；进行了自振频率及简谐荷载作用下强迫振动响应的数值模拟计算；对计算结果进行了全面、深入的分析，得到了钢筋混凝土框架结构自振频率随结构形式变化的规律和简谐荷载作用下结构变形及位移响应的一般规律。
根据研究，得到如下结论：（1） 在结构设计过程中，通过掌握结构形式对自振频率的影响规律，调整结构形式，可使结构自振周期或频率有效避开建筑场地的卓越周期和结构使用期间发生概率较大的动荷载频率，有效地减少结构在使用期间与外荷载发生共振而造成的破坏；（2） 利用结构在某一频率简谐荷载作用下的变形及破坏形式的规律，在进行结构动力设计、演算及结构动力响应观测时可明确结构动力薄弱部位，能够实现对结构动力响应的有效控制。
根据与实例的对比分析，可以认为本文研究成果有助于建筑结构抗简谐荷载的动力设计，使建筑结构在安全上更加可靠，在经济上更加合理。本文工作具有较好的工程实际意义和应用价值。
In some special places, the reinforced concrete frame is possibly subjected to the harmonic loads, which result in larger frame displacements, and perhaps make it unsafe. Based on extensive achievement on the RC frame dynamic response by the domestic and overseas experts, the finite element model is established, and the dynamic response numerical analysis is done in this paper.
This paper had designed the different plane stick-system finite element model, and then calculated the free-vibration frequency and dynamic response of the frame to the harmonic loads. Through the analysis of calculation, the disciplinarian that the structure free-vibration frequency changes relating to the structure form and the common law about deformation and displacement of structure to the harmonic loads can be attained.
According to the research, the conclusion is as follows. Firstly, by finding out the disciplinarian of R.C. frame free-vibration frequency relating to structure form, the structure form would be adjusted when the proceeding structure design and the free-vibration frequency or period would be made to avoid validly the outstanding period of local place and the frequency of loads which encountered frequently, and the serious destroy resulted from resonance would be reduced. Secondly, using the law about deformation and damage form of structure to the harmonic loads with some special frequency, the weakness can be determined in the proceeding of structure dynamic design and measurement. The dynamic response can be effectively controlled.
By comparison between the result of instance and the theory conclusion, the finding contribute to the dynamic design of structure under the harmonic loads, and make the building more reliable in safe and more reasonable in economy. It is significant to engineering practice and worthy to be consulted.
本文主要内容包括：针对钢筋混凝土框架结构自振动力特性以及动力响应随结构形式变化的特点，设计了不同的平面杆系有限元模型；进行了自振频率及简谐荷载作用下强迫振动响应的数值模拟计算；对计算结果进行了全面、深入的分析，得到了钢筋混凝土框架结构自振频率随结构形式变化的规律和简谐荷载作用下结构变形及位移响应的一般规律。
根据研究，得到如下结论：（1） 在结构设计过程中，通过掌握结构形式对自振频率的影响规律，调整结构形式，可使结构自振周期或频率有效避开建筑场地的卓越周期和结构使用期间发生概率较大的动荷载频率，有效地减少结构在使用期间与外荷载发生共振而造成的破坏；（2） 利用结构在某一频率简谐荷载作用下的变形及破坏形式的规律，在进行结构动力设计、演算及结构动力响应观测时可明确结构动力薄弱部位，能够实现对结构动力响应的有效控制。
根据与实例的对比分析，可以认为本文研究成果有助于建筑结构抗简谐荷载的动力设计，使建筑结构在安全上更加可靠，在经济上更加合理。本文工作具有较好的工程实际意义和应用价值。
In some special places, the reinforced concrete frame is possibly subjected to the harmonic loads, which result in larger frame displacements, and perhaps make it unsafe. Based on extensive achievement on the RC frame dynamic response by the domestic and overseas experts, the finite element model is established, and the dynamic response numerical analysis is done in this paper.
This paper had designed the different plane stick-system finite element model, and then calculated the free-vibration frequency and dynamic response of the frame to the harmonic loads. Through the analysis of calculation, the disciplinarian that the structure free-vibration frequency changes relating to the structure form and the common law about deformation and displacement of structure to the harmonic loads can be attained.
According to the research, the conclusion is as follows. Firstly, by finding out the disciplinarian of R.C. frame free-vibration frequency relating to structure form, the structure form would be adjusted when the proceeding structure design and the free-vibration frequency or period would be made to avoid validly the outstanding period of local place and the frequency of loads which encountered frequently, and the serious destroy resulted from resonance would be reduced. Secondly, using the law about deformation and damage form of structure to the harmonic loads with some special frequency, the weakness can be determined in the proceeding of structure dynamic design and measurement. The dynamic response can be effectively controlled.
By comparison between the result of instance and the theory conclusion, the finding contribute to the dynamic design of structure under the harmonic loads, and make the building more reliable in safe and more reasonable in economy. It is significant to engineering practice and worthy to be consulted.
引文
[1]雷汲川. 基于非线性动力反应的钢筋混凝土框架修订后抗震设计规定有效性的初步验证：[硕士学位论文].重庆：重庆大学，2002
[2]胡聿贤.地震工程学. 北京：地震出版社，1988，88~91
[3]沈聚敏，周锡元等. 抗震工程学. 北京：中国建筑工业出版社，2000.103~110
[4]朱伯龙等. 建筑结构抗震设计原理. 上海：同济大学出版社，1994.35~37
[5]唐九如，陈雪红. 劲性混凝土梁柱节点受力性能与抗剪强度. 建筑结构学报， 1990,11（4）：29~35
[6]刘南科，周基岳. 钢筋混凝土非线性全过程分析. 土木工程学报，1990，24（4）：55~57
[7]钟益村，任富栋. 二层双跨钢筋混凝土框架弹塑性性能实验研究. 建筑结构学报，1991，2（3）：3~7
[8]焦双健，冯启民，付长文. 钢筋混凝土框架结构地震破坏的计算机模拟方].地震工程与工程振动，2002，22（2）：54~59
[9]吕西林，卢文生. 钢筋混凝土框架结构的振动台试验和面向设计的时程分析方法. 地震工程与工程振动，1998，18（2）：48~57
[10]胡卫兵，何建.框架结构的弹塑性地震响应时程分析. 西安建筑科技大学学报（自然科学版），2002，34（4）：366~370
[11]罗奇峰、王玉梅. 从近几年震害总结中提出的结构性能设计理论. 工程抗震， 2001，(2)：49~53
[12]包世华、方鄂华. 高层建筑结构设计（第二版）. 北京：清华大学出版社， 2000.96~98
[13]丰定国、王清敏、钱国芳等. 工程结构抗震. 北京：地震出版社.1994，77~81
[14]黄绍派. 高层建筑结构弹塑性动力分析的QR法及工程应用：[硕士学位论文].广西：广西大学，2002
[15]钱稼茹，邹积麟. 钢筋混凝土房屋结构全过程静力推覆分析. 大型复杂结构体系的关键科学问题及设计理论研究论文集.北京：清华大学出版社，1999，120~129
[16]姜成. 结构瞬态动力响应及其灵敏度分析的精细积分法：[硕士学位论文].辽宁：大连理工大学，2000
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[25]沈鹏程著. 多变量样条有限元法. 北京：科学出版社.1997.9~15
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