高层钢—混凝土混合结构弹塑性动力时程及能量反应分析
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摘要
目前,钢-混凝土混合结构被大量应用于我国的高层建筑特别是超高层建筑结构中,而我国是多地震国家,对混合结构体系进行抗震性能的研究具有重大意义。因此,本文主要针对高层混合结构体系中常用的外钢框架-内混凝土核心筒混合结构进行了地震作用下的弹塑性动力反应及能量反应分析,主要研究内容如下:
(1)建立了高层钢-混凝土混合结构的三维空间有限元分析模型,并对其自振特性进行了分析。
(2)对高层钢-混凝土混合结构模型进行了地震作用下的弹塑性动力反应分析,得到结构在不同地震烈度下的顶层位移时程、加速度时程、楼层位移及层间位移角反应,研究了地震作用下混合结构的开裂、屈服与破坏情况。通过对不同地震波作用下结构的动力反应对比分析知,输入地震波的频谱特性对结构的动力反应影响相当明显。
(3)对高层钢-混凝土混合结构模型进行了地震作用下的能量反应分析,选取不同的地震动参数对混合结构的总输入能及其分配情况以及混合结构的滞回耗能分布情况进行了研究。通过研究知,地震反应的能量分析方法是一种能较好反应混合结构在地震作用下的地震反应全过程及其弹塑性性能的方法。
(4)通过对地震作用下混合结构的弹塑性动力反应分析结果和能量反应分析结果进行对比分析知,抗震设计中仅考虑结构的位移反应采用位移单一性能指标对混合结构进行抗震性能的评估是不够全面和安全的,提出应同时补充对结构的耗能反应分析来评估混合结构抗震性能的建议。
At present, the steel-concrete hybrid structure has been widely used in the construction of high-rise buildings in China, a nation with high activity and high-frequency of earthquakes. So the research of antiseismic behavior of steel-concrete hybrid structure is of great significance. In this paper, the elastoplasitic dynamic analysis method and the energy response method are used to research the seismic response of external steel frame and internal concrete core tube mixed structures under earthquake actions. The main contents are as follows.
(1) A three-dimensional finite element analysis model of high-rise steel-concrete hybrid structure is established, and its natural vibration characteristic is analyzed.
(2) Through the elastoplasitic dynamic analysis of steel-concrete hybrid structure under different earthquake inputs, the displacement-time history response of top floor, acceleration time history, maximal floor displacement and inner-story drifts ratio of the structure are obtained. The character of its crack development, yielding mechanism and failure situation are also discussed in detail. Through comparative analysis of the structure's dynamic response under different earthquake inputs, it is found that the spectral characteristics of the input seismic wave have significant influence on the dynamic response of steel-concrete hybrid structure.
(3) By way of energy response analysis of the steel-concrete hybrid structure, this paper discusses the earthquake total input energy of the structure under different ground motion parameters, and the regularity of the total input energy between hysteretic energy and damping energy. Through the research, it is found that the energy responses analysis method is quite effective to reflect the seismic response process and the elastoplastic performance of the steel-concrete hybrid structure under earthquake inputs.
(4) Contrasting the different results obtained by elastoplasitic dynamic analysis method and energy response analysis method, it is found that it's not comprehensive to assess the seismic behavior of steel-concrete hybrid structure by unitary displacement index. And the suggestion of supplementing energy analysis in evaluating the seismic behavior of steel-concrete hybrid structure is put forward.
(1)建立了高层钢-混凝土混合结构的三维空间有限元分析模型,并对其自振特性进行了分析。
(2)对高层钢-混凝土混合结构模型进行了地震作用下的弹塑性动力反应分析,得到结构在不同地震烈度下的顶层位移时程、加速度时程、楼层位移及层间位移角反应,研究了地震作用下混合结构的开裂、屈服与破坏情况。通过对不同地震波作用下结构的动力反应对比分析知,输入地震波的频谱特性对结构的动力反应影响相当明显。
(3)对高层钢-混凝土混合结构模型进行了地震作用下的能量反应分析,选取不同的地震动参数对混合结构的总输入能及其分配情况以及混合结构的滞回耗能分布情况进行了研究。通过研究知,地震反应的能量分析方法是一种能较好反应混合结构在地震作用下的地震反应全过程及其弹塑性性能的方法。
(4)通过对地震作用下混合结构的弹塑性动力反应分析结果和能量反应分析结果进行对比分析知,抗震设计中仅考虑结构的位移反应采用位移单一性能指标对混合结构进行抗震性能的评估是不够全面和安全的,提出应同时补充对结构的耗能反应分析来评估混合结构抗震性能的建议。
At present, the steel-concrete hybrid structure has been widely used in the construction of high-rise buildings in China, a nation with high activity and high-frequency of earthquakes. So the research of antiseismic behavior of steel-concrete hybrid structure is of great significance. In this paper, the elastoplasitic dynamic analysis method and the energy response method are used to research the seismic response of external steel frame and internal concrete core tube mixed structures under earthquake actions. The main contents are as follows.
(1) A three-dimensional finite element analysis model of high-rise steel-concrete hybrid structure is established, and its natural vibration characteristic is analyzed.
(2) Through the elastoplasitic dynamic analysis of steel-concrete hybrid structure under different earthquake inputs, the displacement-time history response of top floor, acceleration time history, maximal floor displacement and inner-story drifts ratio of the structure are obtained. The character of its crack development, yielding mechanism and failure situation are also discussed in detail. Through comparative analysis of the structure's dynamic response under different earthquake inputs, it is found that the spectral characteristics of the input seismic wave have significant influence on the dynamic response of steel-concrete hybrid structure.
(3) By way of energy response analysis of the steel-concrete hybrid structure, this paper discusses the earthquake total input energy of the structure under different ground motion parameters, and the regularity of the total input energy between hysteretic energy and damping energy. Through the research, it is found that the energy responses analysis method is quite effective to reflect the seismic response process and the elastoplastic performance of the steel-concrete hybrid structure under earthquake inputs.
(4) Contrasting the different results obtained by elastoplasitic dynamic analysis method and energy response analysis method, it is found that it's not comprehensive to assess the seismic behavior of steel-concrete hybrid structure by unitary displacement index. And the suggestion of supplementing energy analysis in evaluating the seismic behavior of steel-concrete hybrid structure is put forward.
引文
[1]罗洋.高层建筑钢-凝土混合结构体系发展初步探讨[J].常州工学院学报,2006,19(3):50-53
[2]张韶晖,黄鹏.高层建筑钢-混凝土混合结构的工程应用初探[J].广东土木与建筑,2003,(3):6-8
[3]李国强.当代建筑工程的新结构体系[J].建筑学报,2002,(7):22-26
[4]黄海,阎兴华,张艳霞.钢-混凝土混合结构在我国超高层建筑中的应用与研究[J].北京建筑工程学院学报,2002,18(4):53-57
[5]李国强,张洁.我国高层建筑钢结构的发展状况[J].工程力学,1998,(增刊):697-702.
[6]李国强.我国高层建筑钢结构发展的主要问题[J].建筑结构学报,1998,(2):24-32
[7]蔡益燕,钟善桐.我国高层建筑钢结构发展方向初探[A].98中国建筑结构工程暨学术会议[C].北京:企业管理出版社.1998,12-17
[8]李丽梅.高层钢-混凝土混合结构随机地震响应分析:[硕士学位论文].长沙:中南大学,2007
[9]杨淑玲.钢框架-混凝土核心筒混合结构弹塑性地震反应分析方法:[硕士学位论文].北京:北京工业大学,2005
[10]Franklin.Y.Cheng.Inelastic Analysis of 3-D Mixed Steel and Reinforced Concrete Seismic Building Systems.Computers & Structures[J].Vol.13,1981:189-196
[11]周向明,李国强.高层钢-混凝土混合结构弹塑性地震反应分析模型及研究现状[J].工程力学,1999,(增刊):612-717
[12]J Y Richard Liew,etc.Advanced Inelastic analysis of Thin-Walled Core-Braced Frames.Reference of APEC,Singopore,1997
[13]赵西安.高层建筑组合结构分层模型弹塑性动力分析[J].建筑结构学报.1989,(5):12-18
[14]程绍革.钢-混凝土混合结构弹塑性反应分析及探讨[J].建筑结构,1998,(6):33-35
[15]刘英,王松涛,赵均等.钢-混凝土核心筒组合结构抗震性能研究[J].工程力学,1999,(增刊):439-443
[16]李国强,姜丽人,张晓光.高层建筑钢-混凝土混合结构简化分析模型[J]. 建筑结构,1999,(6):12-13
[17]周向明,李国强,丁翔.高层钢-混凝土混合结构弹塑性地震反应简化分析模型[J].建筑结构,2002,32(5):26-30
[18]李国强,丁翔,郑敬有等.高层建筑钢-混凝土混合结构分区耦合分析模型及开裂层位移参数分析[J].建筑结构,2002,32(2):21-25
[19]张铜生.高层建筑结构空间弹塑性时程分析[J].工程力学,1999,(增刊):35-40
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[21]成联广.SRC柱-钢梁框架-核心简混合结构抗震研究:[硕士学位论文].北京:北京工业大学,2000
[22]郭丰雨.钢筋混凝土核心筒非线性地震反应分析方法研究:[硕士学位论文].哈尔滨:中国地震局工程力学研究所,2004
[23]Nakachi T.etc.,Experimental Study on Deformation Capacity of Reinforced Concrete Core Walls after Yielding,11~(th)WCEE,Paper NO.1747.
[24]Makoto Maruta etc.,Structural Capacities H-shaped RC Core Wall Subjected to Lateral Load and Torsion,12~(th)WCEE,Paper N0.1028,Feb,2000.
[25]Atsushi HABASAKI etc.,Multi-directional Loading Test for RC Seismic Shear Walls,12~(th)WCEE,Paper N0.454,Feb,2000.
[26]Kenichi Sugaya etc.,Experimental Study on Carrying Shear Force Ratio of 12-Stroey Coupled Shear Wall,12th WCEE,Paper N0.2152,Feb,2000.
[27]糜永红.建筑结构在地震作用下的能量反应分析及应用研究:[硕士学位论文].长沙:湖南大学,2003
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[33]吕西林,邹昀,卢文胜,赵斌.上海环球金融中心大厦结构模型振动台抗震 试验[J].地震工程与工程振动,2004,24(3):57-63
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[43]胡卫兵,何建.框架结构的弹塑性地震响应时程分析[J].西安建筑科技大学学报,2002,34(2):366-370
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[46]Hibbit,Karlsson & Sorensen,INC..ABAQUS Theory Manual.2005
[47]Powell G H.Influence of Analysis and Design Assumptions on Computed Inelastic Response of Moderately Tall Frames.Report No.UBC/EERC,Univ.of Calf.,Berkeley,CA,1976,50-61
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[49]杨溥,李英民,赖明.结构时程分析法输入地震波的选择控制指标[J].土木工程学报.2000,33(6):33-37
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[51]肖明葵.基于性能的抗震结构位移及能量反应分析方法研究:[博士学位论文].重庆:重庆大学,2004
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[54]Powell G H.Influence of Analysis and Design Assumptions on Computed Inelastic Response of Moderately Tall Frames.Report No.UBC/EERC,Univ.of Calf.,Berkelev,CA,1976,50-61
[55]王金昌,陈页开.ABAQUS在土木工程中的应用[M].杭州:浙江大学出版社,2006
[56]吕西林,金国芳,吴晓涵.钢筋混凝土结构非线性有限元理论与应用[M].上海:同济大学出版社,1997
[57]张文元主编.ABAQUS动力学有限元分析指南[M].香港:中国图书出版社,2005:26-31
[58]庄茁,张帆,岑松.ABAQUS非线性有限元分析与实例[M].北京:科学出版社,2005:171-182
[59]刘哲锋.地震能量反应分析方法及其在高层混合结构抗震评估中的应用:[博士学位论文].长沙:湖南大学,2006
[60]史庆轩,杨文星,门进杰.单自由度体系非线性地震能量反应的计算[J].建筑科学与工程学报,2005,22(2):25-29
[61]李菊芳.建筑结构基于能量的地震反应分析及设计方法:[硕士学位论文].西安:西安建筑科技大学,2004
[62]包世华,方鄂华.高层结构设计:[M].北京:清华大学出版社,1990
[63]龚胡广,方辉,沈蒲生.高层混合结构横向荷载下受力性能的探讨[J].现代土木工程理论与实践.南京:河海大学出版社,2003:65-69
[64]丁翔.高层建筑钢-混凝土混合结构非线形抗震性能理论与试验研究:[博士学位论文].上海:同济大学,2001:60-65
[2]张韶晖,黄鹏.高层建筑钢-混凝土混合结构的工程应用初探[J].广东土木与建筑,2003,(3):6-8
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