高層建筑筒體結(jié)構(gòu)理論分析及擬動(dòng)力試驗(yàn)研究.pdf

1、本文結(jié)合國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50478092、50438020)，主要進(jìn)行兩方面研究：第一，以高層建筑筒中筒結(jié)構(gòu)計(jì)算方法為研究對象，基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、柱殼彈性理論以及結(jié)構(gòu)分析有限條元法理論，分別對高層建筑筒中筒結(jié)構(gòu)靜力、動(dòng)力、整體穩(wěn)定及二階分析等方面進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究，提出了一種高層建筑筒中筒結(jié)構(gòu)靜力、動(dòng)力、整體穩(wěn)定及二階分析計(jì)算的新方法；第二，完成了一座15層的高層鋼.混凝土混合結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)研究，并采用有限元軟件對其進(jìn)行非線性分析

2、。主要研究成果如下： (1)提出了任意平面形狀高層建筑筒體結(jié)構(gòu)在彎曲和扭轉(zhuǎn)聯(lián)合作用下三維靜力分析的改進(jìn)條元法，擴(kuò)展了傳統(tǒng)有限條元法應(yīng)用范圍。該方法根據(jù)柱殼理論構(gòu)造了一種柱殼曲條，選取條元位移函數(shù)：條元內(nèi)位移沿條寬方向，切向位移采用一次Langrange插值，法向位移和截面翹曲位移采用三次Hermite插值，能較好地反應(yīng)筒體受力的“剪切滯后”效應(yīng)；采用一族能較好地逼近彎剪型變形曲線的正交多項(xiàng)式作位移基函數(shù)，克服了傳統(tǒng)有限條元法采用

3、懸臂梁振型函數(shù)或三角函數(shù)作位移基函數(shù)導(dǎo)致基底剪應(yīng)力為零的缺點(diǎn)。 (2)提出了任意平面形狀高層建筑筒體結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析的改進(jìn)條元法。該方法考慮彎扭耦聯(lián)振動(dòng)，推導(dǎo)了柱殼曲條相容質(zhì)量矩陣和樓板相容質(zhì)量矩陣。采用豎向無質(zhì)量自由度靜力凝聚法，使動(dòng)力分析自由度大為減少。其自由度總數(shù)與簡體結(jié)構(gòu)高度無關(guān)，只與位移函數(shù)按基函數(shù)展開時(shí)所取的項(xiàng)數(shù)有關(guān)。 (3)提出了任意平面形狀高層建筑筒體結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定及二階分析的改進(jìn)條元法。該方法在條元總勢能

4、中，計(jì)入豎向荷載產(chǎn)生荷載勢能，由勢能駐值原理，推導(dǎo)了柱殼曲條的幾何剛度矩陣。 (4)通過試驗(yàn)得出了7種不同地震作用工況下混合結(jié)構(gòu)的頂部位移時(shí)程曲線、樓層最大位移包絡(luò)圖、樓層最大層間位移角圖及底部剪力一頂部位移滯回曲線。大震階段頂部位移達(dá)到結(jié)構(gòu)高度的1/60，說明混合結(jié)構(gòu)具有良好的極限變形能力。 (5)按7度設(shè)防，在7度基本、7度罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，無明顯破壞特征；在8、9度罕遇地震作用下，連梁開裂，樓板

5、及底層筒體出現(xiàn)裂縫，但鋼框架未發(fā)生屈服，結(jié)構(gòu)仍具有較大承載力；在地震波峰值加速度達(dá)到1.0g、1.6g地震作用下，連梁開裂嚴(yán)重，出現(xiàn)交叉斜裂縫，呈剪切型破壞，核心筒底部與基礎(chǔ)連接處出現(xiàn)水平通縫，部分底層鋼柱屈服，但結(jié)構(gòu)并未完全破壞，仍具有一定的承載能力。因此，只要設(shè)計(jì)合理，鋼一混凝土混合結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，能實(shí)現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)計(jì)目標(biāo)。 (6)通過試驗(yàn)得出了7種不同地震作用工況下混合結(jié)構(gòu)水平力分擔(dān)曲線。此

6、類結(jié)構(gòu)在彈性階段，心筒承擔(dān)大部分的水平力，隨著心筒開裂，內(nèi)力發(fā)生重分布，鋼框架承擔(dān)水平力增加，且隨著地震加劇，鋼框架承擔(dān)水平力比例不斷增大，鋼框架起到了抗震第二道防線的作用。 (7)采用有限元軟件對混合結(jié)構(gòu)在7種不同地震作用工況下破壞過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了頂部位移時(shí)程曲線、水平力分擔(dān)曲線和結(jié)構(gòu)損傷破壞過程，其規(guī)律與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了有限元分析的正確性。因此，對一些大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)可用有限元理論模擬地震作用下結(jié)構(gòu)的破