大跨度刚性空间结构竖向地震的静力弹塑性分析
- 格式：doc
- 大小：1.35 MB
- 文档页数：13
大跨度刚性空间结构竖向地震的静力弹塑性分析摘要大跨度空间结构是目前发展最快的结构类型，越来越多地应用于各种公用建筑中，其结构的动力特性正被广大研究人员所关注。
随着国内外抗震研究的不断深入，对不同类型的结构分别采用相应特定的抗震计算方法。
但对于大跨度刚性空间结构，由于结构形体变化较大，特别对于第一振型以竖向振动变形为主时，静力弹塑性分析的Push．over方法不再适用。
然而时程分析法计算地震激励下规则大跨度刚性空间结构的响应和进行抗震性能评估时，设计和分析人员面临着计算工作量大、耗时长等困难，使得抗震评估较难掌握和实施。
本文力图寻求一种简化的竖向抗震计算方法，提出竖向静力弹塑性分析的新概念，这也是目前大跨度空间结构研究领域的一个新课题。
首先本文在查阅大量研究文献的基础上，简要综述分析了工程结构抗震所采用的反应谱法、虚拟激励法、时程法以及静力弹塑性Push—over分析方法，并提出了本文的主要工作和研究内容。
详细介绍和分析了Push-over方法的基本假定和基本原理，明确了Push-over方法的适用范围及其在竖向刚度分布规则的多、高层结构中应用时的实施方法。
结构的动力问题日益引起更多的关注，以求更好地预测结构在地震、风等动力作用下的性能，并寻求更好的防护手段对结构振动进行主动和被动控制。
根据多年来国内外学者对竖向地震特性的研究和分析成果，本文建立了竖向地震反应谱，并形成竖向设计反应谱，利用谱分析方法计算竖向地震作用下大跨度刚性空间结构的响应。
将结构支座竖向剪力和结构控制点位移之间的关系，转化为典型的谱加速度和谱位移之间的关系(即弹性竖向需求谱)，同时利用延性系数等方法形成弹塑性竖向需求谱。
根据规则大跨度刚性空间结构的特性，参照FEMA273(Federal Emergency ManagementAgency)和ATC-40(AppliedTechnology Council)中关于多、高层建筑结构抗震分析中所采用的Push．over 计算原理，提出一种大跨度刚性空间结构的竖向静力弹塑性分析方法即Push．down法，并对该方法进行详细的理论推导。
同时建立了计算竖向目标位移的基本方法并提出了结构的破坏准则；针对本文的Push．down 新方法，提出一阶模态加载模式的单模态Push．down法和多阶模态共同作用的多模态加载模式Push．down法，并进行了理论推导；得出了竖向能力谱法和改进的能力谱法的基本转化公式；推导了弹性竖向需求谱和考虑延性的弹塑性竖向需求谱的理论；提出了用Psuh．down方法进行竖向抗震性能分析和评估的分析步骤。
本文通过模态分析，得到特定大跨度刚性空间结构的动力特性以及各振型的特点、振型参与系数和参与质量，进而得出本文提出的大跨度刚性空间结构竖向静力弹塑性Push．down的应用范围。
给出了一个单模态Push．down法分析的简单算例，一个4×4井字网格楼盖的竖向抗震性能评估，并通过与时程法的比较，得出应用Push．down法能够有效的、方便的得到基本振型为竖向变形且第一阶振型参与为主的简单结构体系的抗震性能。
给出了一个多模态Push．down法分析的算例，一个单层网壳的竖向抗震性能评估，各模态下的响应采用模态组合法获得。
同时将抗震评估结果与该结构竖向时程分析方法下的结果进行比较，结果表明多模态竖向静力弹塑性抗震评估方法与时程比较接近，能够考虑高阶模态的影响。
采用本文的研究成果竖向静力弹塑性分析方法Push．down法，可对基本振型为竖向振动的结构，在竖向地震作用下的抗震性能进行评估并做出有效的分析。
本方法可以考虑多模态的组合作用，增加了计算结果的精确度。
关键词：大跨度刚性空间结构，性能设计，Push．OVer"，模态分析，竖向反应谱，Push．down，竖向需求谱，竖向能力谱，竖向荷载分布模式，抗震性能评估，多模态静力弹塑性分析第七章结论与展望(1)本文首先综述了目前国内外常见的抗震分析方法：反应谱法、随机振动法、时程法和静力弹塑性分析方法(Push-．over法)。
反应谱方法基于线性反应的假定，对于非线性和弹塑性分析能力不足：随机振动方法解决工程问题快捷、准确，但将其应用于工程实践尚须改进和简化；时程法能够较真实和准确的反应地震动作用下结构的反应，但由于计算工作量大且地震波的选取困难，使得该方法实际操作不方便。
静力弹塑性分析(Push-over法)仅仅只能分析竖向规则的多、高层结构，不适应于大跨度空间结构。
(2)通过对静力弹塑性分析(Push_0vef法)的介绍和研究，明确了静力简化方法的基本原理和处理方法。
进而说明同样处理方法在竖向静力弹塑性分析可以借鉴。
(3)通过对竖向地震资料分析，得出竖向地震加速度与水平地震加速度的比值，建立了不同基本烈度下和不同场地的竖向地震影响系数曲线，进而得到基本烈度下的竖向反应谱关系；根据国内抗震设防三标准原则，将基本烈度下的竖向地震影响系数进行系数折减或放大，得到多遇地震作用下或罕遇地震作用下的设计竖向地震影响系数曲线；再通过阻尼处理和理论推导建立了弹性和弹塑性竖向反应谱。
通过一个计算实例，比较了本文得出的竖向反应谱理论与抗震规范(GB5001 1-2001)简化计算方法的结果，得出结构在不同烈度、不同场地条件下，竖向地震影响系数随着结构固有周期的变化规律。
竖向地震加速度与水平地震加速度的比值，对于基岩y／日=0．65；对于土层场地(II／Ⅲ／Ⅳ类场地类别)V／a与结构的基本周期相关，其比值在o．5～1．0之间。
在II ／III／Ⅳ场地条件下竖向地震的作用比规范简化计算的结果偏大，规范的计算结果偏小，略显不安全。
(4)根据规则大跨度刚性空间结构的特性，参照FEMA273ffederal Em郫弘cyManagem锄t Ag=c9和ATC40(A卵lied Technology Council)中关于多、高层建筑结构抗震分析中采用的PllSh-0ver 法的计算原理，提出一种大跨度刚性空间结构的竖向静力弹塑性分析方法(Push．own法)，并对该方法进行详细的理论推导。
同时建立了得到竖向目标位移的基本方法及提出了结构的破坏准则；提出了一阶模态加载模式的单模态Push．own法和多阶模态共同参与的多模态Push．own法，并进行了理论推导；得出了竖向能力谱法和改进的能力谱法的基本转化公式；推导了弹性竖向需求谱和考虑延性的弹塑性竖向需求谱的理论；通过文中建议的分析步骤可进行竖向抗震性能分析和评估。
即完成了单模态加载法的竖向静力弹塑性分析方法的理论研究和分析方法；完成了多模态组合参与下的竖向静力弹塑性分析方法理论和分析方法。
(5)通过模态分析，明确大跨度刚性空间结构的动力特性以及各振型的特点、振型参与系数和参与质量。
得出Push-down分析方法应用范围为：①第一振型为竖向变形的规则大跨度刚性空间结构(尤其适用于杆件采用梁、梁一柱单元来模拟的大跨度刚性空间结构体系)；⑦模态分析中，竖向振动以一阶振型参与为主或由多阶模态共同参与作用的结构，不考虑各振型的耦合作用。
(6)给出了一个单模态Push-down法分析的简单算例，一个4 X 4井字网格楼盖的竖向抗震性能评估，并通过与时程法的比较，得出应用Push-down法能够有效的、方便的得到基本振型为竖向变形且第一阶振型参与为主的简单结构体系的抗震性能。
(7)给出了一个改进多模态Push-down法分析的算例，—个单层网壳的竖向抗震性能评估。
各模态下的响应采用模态组合法获得。
同时将抗震评估结果与该结构竖向时程分析方法下的结果进行比较，结果表明多模态竖向静力弹塑性抗震评估方法与时程比较接近，能够考虑高阶模态的影响。
(8)采用本文的研究成果竖向静力弹塑性分析方法Push-down法，可对基本振型为竖向振动的结构，在竖向地震作用下的抗震性能进行评估并作出有效的分析。
本文方法可以考虑多模态的组合作用，增加了计算结果的精确度。
7．2展望由于目前国内外研究竖向静力弹塑性的方法研究较少。
本文中的Push-down法是第一次提出。
作者认为还需多方面的研究工作：(1)结构的地震反应计算复杂，应用简化的静力法时，对于竖向质量参与系数较小的结构，模态的参与数量选取，各振型的耦合等问题比较突出，进一步需解决。
(2)竖向荷载模式的选取直接关系到计算结果的准确性。
对于大跨度刚性空间刚性结构，结构体形复杂，就需要研究特定的对应竖向荷载模式。
(3)对于平板式大跨度刚性空间网格结构，由于构件并非完全可以用梁来模拟，即只会出现拉压杆，竖向抗震性能的评估需要研究特定的简化方法。
(4)目前对于竖向静力弹塑性分析方法，只是进行理论研究和简单的模型处理，对于复杂和单元数量较多的模型，进行程序化的工作非常必要。
方法还有待改进。
竖向地震作用对空间大跨结构的影响及计算方法摘要网架结构是一种较好的大跨度屋盖结构形式。
在国内外的大型体育馆、停机场、中型练习馆、展览馆、俱乐部、剧院、食堂以及工业厂房等工程的屋盖结构中都得到．广泛应用。
然而，随着地震等自然灾害的逐年频繁发生，如何进行网架结构的抗震设计，尤其是竖向地震作用对这种空间大跨结构的影响是我们所关心的重要问题。
本文主要研究的正是平板型周边支承正放四角锥网架在竖向地震作用下的动力特征以及动内力与在重力荷载代表值作用下静内力的关系，并寻找某种简便方法去计算出动内力值。
主要步骤如下：(1)引用竖向地震加速度反应谱，该反应谱是通过大量的实测记录，并通过分析、统计的方法得出，有较高的可信度。
(2)对9种跨度(30x30、33x33、36x36、39x39、42x42、48x48、54x54、60x60、72x72)的正放四角锥网架屋盖，在实测记录中出现频率较高的两种地震动强度等级(0．19～0．29、·O．29～0．49)及三种场地类别(I、II、Ⅲ场地)共6种场地条件下采用SAP2000有限元结构分析软件进行反应谱法和多遇地震下的时程法进行分析。
(3)引入动内力系数，将几种方法得到的结果进行分析对比，找出动内力系数分布规律，来评估该网架结构受到的竖向地震作用并与规范规定的竖向地震作用系数进行比较。
(4)利用等效地震作用系数及动内力系数，结合分布规律寻找出了两种比较实用的计算方法来计算网架的动内力。
关键词：竖向地震作用；正放四角锥网架：动内力系数；实用计算方法结论与展望本文对9种不同跨度的正放四角锥网架屋盖，在6条不同竖向地震加速度反应谱曲线下的地震动力反应进行研究和总结，得出以下结论：l、网架结构自振频谱相当密集，第一阶竖向频率频一般在9(1／s)一--,16(1／s)之间，即周期在0．4s---一O．7s左右，随着跨度的变化，自振频率的变化很小。
