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若是布局能够耗散掉地动输入的能量 而不产生倾

发布时间: 2019-10-31

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摘要 跟着我国经济的成长,人平易近糊口程度的提高,越来越多的高层建建拔地而起, 其布局形式和结构的多样化,逐步成为其成长的趋向。框——剪布局、剪力墙结 构形式的使用成为现正在一般高层建建的次要布局形式,然而钢——混凝土组合结 构系统也己正在超限高层和复杂高层建建中获得了普遍的使用。 针对于超限高层建建和复杂高层建建来说,基于机能的抗震设想理论成为下 一代抗震设想规范的焦点。本文采用了两个大型的工程实例,针对于分歧的无限 元阐发软件,都采用了机能化的抗震设想,进行了较为细致的阐发,此中采 用了位移、位移角等参数来反映布局正在地动感化下的抗震机能方针的实现,而且 比力了SETWE、PMSAP、ABAQUS无限元阐发软件的优错误谬误和使用趋向。 正在使用过程中需要留意的问题,提出了贵重的看法,而且针对于布局的毁伤理论 展开了细致的论述。阐发告终构正在分歧级此外地动波感化下,布局毁伤部位的演 化过程和亏弱部位的发生,而且针对于这些环境采纳响应的加强办法。 环节词: 超限高层,基于机能的抗震设想,弹塑性时程阐发,ABAQUS,毁伤 评估 青岛理丁人学T学坝I‘学位论文 Abstract With the ofour national development economy,the of improvementliving and standards,moremore have itsstructure high-rise and buildingsappeared,and of the layout diverse,whichbecomesits gradually trend.Frame.shear development wall shearwall structure,the havebecomethemain structure,which structuresofthe thesteel-concrete high。rise structure alsohasbeen buildings,however hybrid system used inthetall andthe widely buildingscomplexhigh—risebuildings. tothetall andthe Accordingbuildingscomplex of high-risebuildings,thetheory seismic hasbecomethecore pertbrmance—based ofthenext of design generation seismic codes.Thisusedthetwo to largeengineering the example,according differentfiniteelement usedthe of analysissoftware,alltheory seismic alsousedthedetailed usethe andthe design,and analysis,which displacement andSOontoreact the realizationofthe displacementangle goal seismic to the andthe design,andcompare treadsofthe advantages,disadvantages and Sfiniteelement SETWE,PMSAP software. ABAQU analysis This the finiteelement software explainedlargegeneral analysis ABAQUS, and introduced thetroublesofthe andofferdthevalue simply application opinons,what’s tothestructure usedthe more,according damagetheory,and detailednarration thestructureinthedifI’erentlevelsofseismicwave areaof Analyzed function,the evolution ofthe structureandtheweak ofthe injury process parts produce,and tothese the remedialmeasures accordingcircumstances,takingcorresponding word:thetall of seismic key buildings,thetheoryperformance·baseddesign, assessment elastic—plastictime-historyanalysis,ABAQUS,seismicdamage 第1章绪论 1.1引言 地动灾祸是对人类风险很大的天然灾祸之一。201 1年3月ll同13时46分 (时间),日本本地时问14时46分,发生正在西承平洋国际海域的里氏9.0 级地动并激发海啸,形成严沉的人员伤亡和财富丧失。地动激发的海啸影响到太 平洋沿岸的大部门地域,地动形成日本福岛第一核电坐l~4号机组发生核泄露事 故。4月1日,日本内阁会议决定将此次地动称为“东日本大地动”。截至本地 人。此次地动震中位于北纬38.1度,东经142.6度,震源深度约10公里, 属浅源地动。据统计,自有记实以来,此次的9.0级地动是全世界第三高,1960 年发生的智利9.5级地动和1964年阿拉斯加9.2级地动别离排第一和第二。据不 完全统计,我国近一个世纪以来,已有包含正在内的20多座城市毁于地动灾祸, 形成了很大的人员伤亡和财富丧失。2008年5月12日发生的汶川里氏8.0级地 震,形成了7万人灭亡,跨越1.5万人,30万人受伤,500余万人无家可归, 并对整个经济和社会形成了庞大冲击,使之惹起了全世界人平易近的亲近关心。我国已 有4000多年的持续的地动勾当记实汗青,这是全世界稀有的。面临地动,曾 经有过良多超卓的布局抗震实践。出格是汶川地动以确凿的事了然抗震设想 对降低地动风险的主要贡献【l儿2。。 跟着我国经济手艺程度的不竭成长和人平易近糊口程度的不竭提高,人们对于建 建布局的要求越来越高。目前,各类复杂布局不竭出现,次要表示正在高层建建结 构傍边,多层和高层建建布局没有本色性不同,它们都要抵当竖向及程度荷载做 用,从设想道理和方式而言,根基是不异的。可是,正在高层建建布局中,要利用 更多的布局材料来抵当外荷载,特别是程度标的目的的荷载。因而,抗侧力布局成为 高层建建布局设想的次要问题。图1.1是布局内力(N、M)、位移(△)取高度的关 系,除轴向力N取高度成反比破例,弯矩M和位移△都呈指数曲线上升。因而, 跟着高度的添加,程度荷载成为节制布局设想的次要要素【3】【4】【5】o 青.%埋一人学『.学fi,)iIj学ft论文 图1.1布局内力、位移取高度的关系 跟着建建布局高度的添加和平面安插的多样化,采用常规的小震弹性设想方 法难以大震下的平安性,因而需要进行大震下的弹塑性阐发。抗震规范和高 规都对需要进行弹塑性阐发的布局进行了。ABAQUS法式是国际一流的通用有 限元阐发软件之一,正在非线性方面处于领先地位,适合进行复杂高层建建布局的 动力弹塑性阐发。可是正在建建布局建模方面效率很是低,因而,本文次要针对这 种环境进行了研究,采用“将各类无限元法式阐发软件连系的方式’’进行复杂高 层建建布局的动力弹塑性阐发。 1.2建建布局系统 1.2.1建建布局系统的次要形式 1)框架布局 全数竖向荷载和侧向荷载由框架承受的布局系统,称为框架布局。框架布局 的平面安插矫捷,能够用隔绝距离墙分隔空间,以顺应分歧利用功能的要求,次要适 用于办公楼、教室、商场、室第等衡宇建建,可是不克不及合用于高度很大的衡宇建 建。 2)剪力墙布局 用钢筋混凝土剪力墙承受竖向荷载和抵当侧向力的布局称为剪力墙布局。剪 力墙布局平面安插不矫捷,空间局限,布局自严沉,可是全体性好,承载力及侧 向刚度大,能够合用于高度范畴大的衡宇建建布局。 3)框架一剪力墙布局 框架和剪力墙配合承受竖向荷载和侧向力,就成为框架一剪力墙布局。框架一 剪力墙布局既有框架布局安插矫捷、延性好的特点,也有剪力墙布局刚度大、承 载力大的特点,是一种比力好的抗侧力系统,普遍合用于高层建建布局。 4)框筒布局 框筒是由安插正在建建物周边的柱距小、梁截面高的密柱深梁框架构成框筒结 构的四榀框架位于建建物周边,构成抗侧、抗扭刚度及承载力都很大的外筒,使 建建材料得以充实操纵。因而,框筒布局合用高度比框架布局高得多。 1.2.2布局功能性要求 因为高层建建布局日益成长,功能和形式多样化,高宽比加大,布局系统不 断成长,对高层建建布局的要求愈来愈高,转换层和加强层的使用也愈来愈多, 使布局复杂程度添加。 从建建功能上,一般要求多功能的高层建建布局上部为小开间,下部为大空 间,如许布局安插取布局传力的合理机制正好相反,需要安插大跨度的转换构件 跟尾上、下布局。转换的形式次要有以下几种‘6】【7】: :((‘杉似‘‘形勿 八../\ I I l l I I (1)梁式 (2)厚板式 (3)桁架式 (4)箱形 图1.2转换层的次要形式 当高层建建布局高度较大、高宽比力大或抗侧刚度不敷时,能够采用加强层 进行加强。设置毗连内筒取外围布局的程度外伸臂(梁或桁架)布局的楼层,必 要时还可沿该楼层外围布局周边设置带状程度梁或桁架。 青。节理1_人学T学坝l’。学位论文 谨露簧 禳霹 I 鼍 摄蘩桎 闺匝 [.1『_H1 (a)梁《箱形梁) 《b)斜腹桁架 (c)空肚桁架 图1.3程度伸臂构件 一r fc)空肚桁架 (a)开孔粱 (b)斜腹麓亍架 图1.4程度环带构件 1.3高层建建布局的研究现状和工程实践 现代高层建建是跟着社会出产的成长和人类勾当的需要而成长起来的,是商 业化、工业化和城市化的成果。现代高层建建不只要满脚各类利用功能,并且要 节流材料,又要美妙。只要科学的前进、轻质高强材料的呈现以及机械化、电气 化、计较机化正在建建中的普遍使用,才能为高层建建布局的成长供给物质和手艺 前提。 现代高层建建布局始于19世纪。1884-1885年美国建成了1l层家庭 安全大楼;1931年正在纽约建成了出名的帝国大夏,102层、381米高,成为其时 的奇不雅,它享有“世界最高建建”的佳誉多大40余年。自1960年当前,跟着建 建材料和手艺的成长,世界才起头进入了50层以上的高层建建布局时代。美国相 继建成了110层、402米高的世贸核心双塔和110层、443米的西尔斯大夏。1998 年马来西亚的吉隆坡石油双塔,88层、452米高。以及后来的台北101,508米高 度;上海金融核心97层、492米高,现正在正正在建的上海核心632米高度,以及迪 拜塔等等【8】【9】【101。 当前国表里高层建建布局的成长趋向以及现状大致表示为以下三个方面 【ll】【12】: 1.建建布局的高度不竭添加 4 从以上所举的实例能够看出,有些高层建建布局的高度曾经超呈现行设想规范 所要求的最大利用高度的,抗侧力系统能否合理、平安而经济,给设想者带 来了设想上的良多新鲜的问题。 2.复杂高层建建布局不竭出现 目前,高层建建布局设想为了满脚功能用处多样化和制型新鲜等方面的需要, 采用了不少体型复杂、内部空问多变的建建方案。国外建建师的设想方案斗胆新 颖,可是有的是来自于非地动区,缺乏抗震概念方面的设想,这些建建正在平面、 立面的犯警则性都大大超出了现行设想规范的合用范畴。若何进行抗震设想,缺 乏明白具体的方针、根据和手段。布局师为了满脚建建方案的设想进行了了大量 的计较论证、模子试验等研究手段,尽可能的处理手艺方面的难题。可是因为建 成的复杂高层建建布局的时间不久,缺乏强震的查验,所以对于复杂高层建建结 构的抗震设想经验还有待于堆集。 3.钢一混凝土夹杂布局的使用增加 夹杂布局是部门采用钢构件(例如钢柱、钢梁),部门采用钢筋混凝土构件(例 如钢筋混凝土剪力墙),或者部门采用组合构件的布局。组合构件是将钢材及钢筋 混凝土材料连系正在统一个构件中,例如钢骨混凝土柱、钢管混凝土柱、组合梁、 组合板等。近年来,正在超高层建建布局中夹杂布局所占的比例越来越大,我国自20 世纪80年代起头采用高层夹杂布局。82.75米的喷鼻格里拉饭馆和143.6米 的上海希尔顿酒店是我国最早建成的高层夹杂布局。此后,因为具有显著的经济 劣势,以及优良的抗风、抗震机能,这种布局正在我国获得敏捷成长。深圳地王大 厦、厦门远华国际核心、长江核心、深圳赛格广场、上海新世界大厦、 上海浦东国际金融大厦、上海国际航运大厦、上海银行大厦、上海金茂大厦、上 海全球金融核心,以及正正在扶植中的上海核心大厦,均为高层夹杂布局。 表1.1列出了国内部门夹杂布局的工程实例: 表1.1国内部门夹杂布局l:程实例 I:程名称 层数 高度(m) 布局形式 巨型钢管混凝-十框架 台北101 101 508 一RC焦点筒 src柱、钢梁、RC核 上海全球金融核心 101 492 心筒 全球商业广场 111 484 带加强层巨型框架一 焦点筒 广州珠江新城西塔 103 432 钢管混凝土斜交筒一 RC焦点筒 src柱一钢框架~焦点 上海金茂大夏 88 42l 筒 国贸三期 74 330 src框架一焦点筒 深圳地王大厦 81 325 src框架一焦点筒 钢管柱、钢梁、RC核 深圳赛格广场 72 292 心筒 长江核心 62 290 钢管柱、钢梁、RC核 心筒 可是该当指出,目前夹杂布局正在高层建建布局中的使用仍缺乏震害经验和充 分的根据,所以科研方面的研究工做仍掉队于工程实践,还有待进一步的研究。 1.4本文的研究目标、内容和方式 1)通过大量的阅读文献,进修高层建建布局正在基于机能抗震设想方面的研究 内容和方式,连系具体的工程实例,成立抗震机能方针和材料的本构模子。 2)通过分歧无限元软件正在分歧工程实例中的使用,对复杂高层建建布局进行 动力弹塑性阐发,研究该类布局的空间受力机能,找出亏弱部位,并采纳响应的 解救办法。 3)进修操纵大型通用无限元软件ABAQUS进行布局的模态阐发,领会布局的 动力特征,并切磋正在分歧强度地动下布局毁伤的成长。 6 菏,1尚脞f。人学r学坝lj学位i芑义 第2章建建布局弹塑性理论根本 2.1机能化抗震设想 2.1.1机能化抗震设想的概念 抗震设防是指对建建物或建立物进行抗震设想,以达到布局抗震设想的感化和方针。 抗震设防的方针就是正在必然的经济手艺前提下,最大限度地减轻建建物的地动,保 障人平易近生命财富的平安。目前,很多国度的抗震设想规范都趋势于以“小震不坏,中震 可修,大震不倒”做为建建抗震设想的根基原则。现实上,正在发财国度和地域,因为绝 大大都建建物按现行的规范进行抗震设想和加固,严沉地动灾祸形成的人员伤亡曾经明 显下降,然而这种设想思惟是以保障生命平安为次要的设防方针,虽然防止了大震下建 建物的倾圮,但正在中小地动感化下可能导致布局一般利用功能而形成庞大的经济损 失。出格是跟着经济的成长,当建建物的拆修、非布局构件、消息手艺配备等的费用往 往跨越建建物的布局费用时,这个问题尤为显著。这申明,基于承载力和构制延性 的保守设想方式并不完美。由此,基于机能的抗震设想思惟正在这一布景下提出来了。 基于机能的抗震设想思惟是20世纪90年代正在美国成长起来的,使设想出来的建建物 次对机能化抗震设想概念进行了系统表述,它指出:“机能设想该当是选择必然的设想 原则,得当的布局形式、合理的规划和布局比例。建建物的布局取非布局构件的细 部构制设想,节制建制质量和持久程度,使得建建物正在蒙受必然水准地动感化下, 布局的毁伤或不跨越某一特定的极限形态”,从而成立了机能化抗震设想所需要的从 阐发的机能评价方式【14】【15】:基于分歧设防水准地动感化,达到分歧的机能方针,正在阐发 和设想中采用弹性静力和弹塑性时程阐发来实现一系列的机能水准,而且采用建建 物极点位移来定义布局和非布局构件的机能水准,分歧的布局形式采用分歧的机能水 准。并且FFMA273操纵随机地动动概念提出了很多种机能方针.,适合于多级机能水准 演讲也给出了基于静力弹塑性阐发和能力谱法的机能评价方式【I61。1995年的Kobe地动 后,日本启动了“建建布局现代工程开辟”研究项目,对机能设想涉及的内容进行了概述; 1996年,日本建建尺度法按照基于机能的要求进行了修订;1998年,日本的建建尺度法 插手了能力谱方式。2000年6月日本采用了新的基于机能的抗震设想规范。我国已废止 7 青岛理_r人学广学川,!Ij。;位论史 50011-2010) 了《建建抗震设想规范》(GB50011.2001),正在新的《建建抗震设想规范》(GB 中新增了第3.10节建建抗震机能化设想,对设想准绳、地动动水准、机能方针、设想 目标和计较要求进行了,并正在附录M中给出了实现抗震机能设想方针的参考方式。 目前,基于机能的抗震设想理论仍是国际地动工程范畴的一个研究热点,能够预 见其必将成为规范点窜取新规范制定的指点思惟,可是完全基于机能的抗震设想方式 目前还无法实现。 2.1.2机能化抗震设想的内容 基于机能的抗震设想次要包罗抗震设防水准简直定、抗震机能程度和抗震机能方针 的选择、场地的选定、概念设想等内容。 按照大量数据阐发,我国地动烈度的概率分布根基合适极值IⅡ型分布。我国对小震、 中震、大震的三个概率水准做了具体。当设想基如期50年时,概率密度曲线的峰值 烈度对应的超越概率为63.2%,将这一峰值烈度定义为小震烈度,即为第一水准烈度, 对应的地动为多遇地动。超越概率为10%所对应的烈度为中震烈度,即为第二水准烈度。 超越概率为2%所对应的地动烈度为大震烈度,又称罕遇地动烈度,即为第三水准烈度。 抗震机能程度是指建建物正在某一特定的抗震设想水准下预期的最大程度。目前 比力遍及的划分是将布局机能分为五个品级,即布局一般利用功能(根基无缺或无缺): 布局根基利用功能不受影响(轻细损坏);布局根基利用功能遭到必然影响(中等);结 构根基利用功能遭到严沉影响,以至部门功能(严沉);布局利用功能不复存正在 81。 (或倾圮)【17】【1 抗震机能方针是针对某一特定的抗震设防水准而期望达到的抗震机能品级。选择合 适的抗震机能方针是基于机能抗震设想的焦点内容。我国现行《建建抗震设想规范》(GB 大震不倒”,并以层间位移角 50011-2010)的根基机能方针是:“小震不坏、中震可修、 来量化,给出了“小震”和“大震”的最大位移角限值,对“中震”则没有具体量化, 但正在附录M的条则申明中给出告终构竖向构件对应于分歧形态的最大层间位移角 参考节制方针。 2.1.3基于位移、能量的抗震设想方式 量化布局机能的目标凡是有三种常用的物理目标,即:力、位移、能量。对应于这 三种物理目标,基于机能的抗震设想方式次要有基于承载力的设想方式、基于位移的抗 震设想方式、基于能量的设想法。 青,韵理T‘久莩l:。、工㈣卜学f上沦殳 目前,基于承载力的设想方式已被世界规范所采用。以我国为例,它的设想思 想是:第一阶段:对于一般布局正在中、小地动感化下采用弹性计较方式,可按照布局的 具体环境采用底部剪力法或者是振型分化反映谱法计较地动力,并取其他荷载通过度项 系数法进行组合,计较截面的承载力和构件的配筋,对于较高的建建物还要节制其侧向 变形。第二阶段:对于有特殊要求的布局采用弹塑性计较方式。可按照布局的具体环境 采用简化的计较方式、静力弹塑性阐发法或者是弹塑性时程阐发方式,验算其根基烈度 相对应的罕遇烈度地动感化下布局的弹塑性层间变形能否满脚规范要求,防止布局因为 亏弱部位发生的弹塑性变形,导致布局构件以至惹起衡宇倾圮。 关。截面的变形可认为位移,从而能够通过位移来节制布局的毁伤程度。因此基于 位移的设想方式是基于机能设想理论保举的配套设想方式。它以位移为设想起点,以层 间位移或者其他变形做为抗震设想的节制要素,进行布局的截面设想和配筋,这取保守 的基于承载力的设想方式正在设想挨次和节制要素的拔取上有很大的区别,这也申明了该 方式的起点更接近于地动感化下布局的现实运转形态。基于位移的抗震设想又能够分 为间接设想法和间接设想法两类(如图2.1所示)。 地动对于布局而言现实上是一种能量的输入,若是布局能够耗散掉地动输入的能量 而不发生倾圮则布局的抗震满脚要求。由此引入了基于能量的设想方式,最后是由 Housner于上世纪50年代末提出。它的根基假设是:布局的总体是因为地动输入的 总能量形成的,布局及内部设备的程度是由地动输入的能量和布局耗损的能量配合 决定的。该方式的长处正在于可以或许间接估量布局的破损形态,可是因为正在参数的拔取、能 量的计较方式等方面没有一个确定的、合理的尺度,所以这种方式还有待深切的研究。 9 青.-尚理TJ、学l一学…Ij学位论文 鼯 1..,......................一 否 否 (a) (b) 图2.1基于位移的设想方式 (a)间接设想法 (b)间接设想法 2.1.4弹塑性阐发取机能化设想的关系 精确预测布局正在中震和大震感化下的弹塑性响应是实现机能化设想的环节。对布局 进行弹塑性阐发,是为了获得布局正在地动感化下布局或构件的承载力和变形能力等,通 过这些反映的节制,从而达到机能化方针的设想。从线弹性阐发到弹塑性阐发,是布局 抗震计较的一个主要前进,同时也是对布局阐发计较手段提出了更高的要求。 2.2静力弹塑性阐发 2.2.1静力弹塑性阐发的道理 正在布局抗震设想和抗震机能评估中,设想和研究人员需要一种简洁易行而又具有一 定切确度的弹塑性阐发方式。静力弹塑性阐发方式是一种借帮布局推覆阐发的成果来确 定布局弹塑性抗震机能或布局弹塑性地动响应的方式,它可以或许同时对布局的宏不雅和微不雅 弹塑性机能加以评价,因而它可以或许很好的合适这一要求,也被称为Pushover阐发。 静力弹塑性阐发方式是通过对布局逐渐某种形式的程度荷载,用静力推覆阐发 10 苛.为j理rJ、学一l。。学…Ij学世沦之 计较获得布局的内力和变形,并借帮地动需求谱或间接估算的方针机能需求点,近似得 到布局正在预期地动感化下的抗震机能形态,由此实现对布局的抗震机能进行评估。 静力弹塑性阐发方式是基于两个根基假定: (1)现实布局的地动反映取某一等效单度系统的反映相关。该假定表白布局的地 震反映由某一振型起次要节制感化(一般认为是布局第一振型),其他振型的影响 能够忽略; (2)正在地动过程中,非论布局变形大小,阐发所假定的布局沿高度标的目的的外形向量都 连结不变。 对于布局抗震弹塑性阐发,以上两个假设严酷来说正在理论上是不严密的,但已有研 究表白:对于响应以第一振型为从的布局最大地动反映,Pushover法能够获得合理的估 计【20】。 将布局为取其等效的单度系统【21]【22】【231的公式并不独一,但等效准绳大致相 同,即通过布局多度系统的动力方程进行等效。布局正在地动感化下的动力方程能够 用下式暗示: [M】{X)+【C】{X)+{Q)=_[M】{1)Xg (2.2.1) 层问恢复力向量;{Q)=【K】{X),此中[K】为布局刚度矩阵;Xg为地动动加快度时程。 式(2.2.1)中Xg正在地动工程中极犯警则,无法将全过程采用统一解析式暗示,所以只 能通过数值计较求解。则相对位移向量{X)由布局极点位移z和外形向量{妒)暗示如下: {X)={≯)置 (2.2.2) 则式(2.2.1)能够写为: [M】{妒Xr+[C】{≯)X,+{9)=-[M]O}Xg (2.2.3) 若是定义等效的单度系统的参考位移X7为: xr:燃z 、(2.2.4)’ {妒)。【M】{l。 动下的微分方程为等效单度系统的动力微分方程如下: M7X+C7X+Q7=-M’Xg (2.2.5) 青.%埋1‘/:学r学坝I‘学位沦戈 式中M”、C’、Q”别离为单度系统的等效质量、阻尼和恢复力。 M’={≯)7’[M]{1) (2.2.6) Q’={≯)。【只] (2.2.7) ∥刊ncW)船器 (2.2.8) 式中[Pv】为布局多度系统时楼层荷载向量。 等效单度系统的周期乙(群为等效刚度)计较公式如下: Teq=2rr借 (2.2.9) 正在以上假定的根本上,目前该方式使用于平面法则布局的阐发已没有什么坚苦,但 使用于二维犯警则布局阐发还有不小的难度。并且该方式次要合用于一阶振型占地动响 应从导地位的中低层布局的近似阐发。对于高振型的参取影响,也有良多学者做了响应 其正在复杂布局中的精确性和合用性目前仍然较少,需要进一步的深切研究。 2.2.2静力弹塑性阐发方式 静力弹塑性阐发方式自从提出以来,学者正在上述根基步调的研究根本上,提出 多参数批改位移法、Chopra的多模态推覆阐发(MPA) 是性的阐发方式,引见如下: 1.能力谱法 能力谱法现实上是通过地动反映谱曲线和布局能力谱的叠加(如图2.2,2.3所示), 来评估布局正在给定地动感化下的反映特征,该方式的实施步调大致为: (1)成立布局构件的弹塑性模子。 (2)对布局某种形式的沿竖向分布的程度荷载,正在布局的每个次要受力标的目的至多 用两种分歧分布模式的程度荷载进行阐发。 (3)逐渐增大程度荷载,正在每一步加载过程中,计较所有布局构件的内力以及弹性和 弹塑性变形。程度荷载或位移的分布体例连结不变。 (4)当布局成为机构或位移超限时,遏制旌加荷载。 (5)获得基底剪力和节制点处位移的关系曲线做为布局的静力推覆能力曲线。 ’ 苛。码删f:J、学厂学!·p!i-学位沦支 6 将静力推覆能力曲线 将等效单度系统的弹性谱由保守的Sa-T形式为AD格局,将其做为需求 谱。 8 将能力谱和需求谱的图形进行叠加,获得两条曲线的交点。若是等效单度所 拔取的能力曲线起点取上述交点沉合,该点即为布局抗震机能特征点,即布局目 标位移点。 (,L/L/L 9\,\,\,、, 将上一步所获得的方针位移成原布局和构件的变形要求,并取机能方针所要 求达到的变形比拟较。 Sa 等勘赡 /l嗵 S卸 / 撒舅援 j 、( f f Sdy,,,/宁i f f /一 最超嘲触 pj 潲回生牺 0 图 图2.2A-D坐标系下能力谱曲线等效双线.多参数批改位移法 移谱是通过一系列批改系数由弹性位移谱获得的。该方式的步调如下: (1)~(5)同上述能力谱法的步调。 、 (6)估算布局的方针位移。 (7)当方针位移确定后,由能力曲线获得布局构件正在该位移程度时的总内力和变形,就 能够用来估量布局构件的机能: a.对由变形节制的行为,变形要求就和变形答应值比拟较。 b.对由内力节制的行为,受力要求就和强度能力答应值比拟较。 青岛理T人学T学…I学位论文 (8)lzH果强度和变形要求跨越了答应值,则认为布局构件或单位达不到的机能要求。 3.多模态推覆阐发法 多模态阐发法是基于弹性的MDOF系统振型分化组的道理成长而来的,取前述 推覆阐发法比拟,既连结了保守的阐发法的简洁性,又能考虑高阶振型的影响。其步 骤为: (1)计较布局线弹性前提下的各阶振动频次和振型。 (2)绘出正在荷载感化下的基底剪力取极点位移关系曲线)将基底剪力取位移关系曲线简化为双线)操纵第n阶振型多度系统取等效非线性单度系统的彼此转换关系,将理 想双线型曲线转换成第n阶弹塑性SDOF系统的荷载位移关系,确定弹性振动初始周期 和位移。 (5)计较第n阶弹塑性SDOF系统的地动位移响应Dn。 (6)按照第n阶弹塑性SDOF系统的地动位移响应Dn和布局第n阶振型特征计较多 度系统对应的顶层位移。 (7)按照顶层位移和推覆曲线获得布局各度对应的反映值。 (8)对各阶振型反复步调(3)(7),一般来说,考虑的振型越多,则精度越高,凡是, 前2阶或前3阶振型就脚够了。 (9)使用合适的模态组合法则组合各阶模态反映峰值,确定总的反映值。 2.2.3静力弹塑性阐发方式的优错误谬误 1.静力弹塑性阐发方式的长处 虽然静力弹塑性阐发方式正在理论上有良多缺陷,但静力弹塑性阐发能够通过比力简 单的阐发过程,领会布局正在侧向力感化下从构件到布局多方面的弹塑性机能,因此正在应 用上有着很好的劣势,其长处次要有以下两个方面: (1)能够对布局的弹塑性全过程进行阐发,领会构件的过程,传力路子的变化, 布局机构的构成,以及设想中的亏弱部位等等。 (2)能够较为简洁地确定布局正在分歧地动强度下方针位移和变形需求,以及响应的 构件和布局能力程度。 2.静力弹塑性阐发方式的错误谬误 静力弹塑性阐发方式的不脚之处次要表现正在以下几个方面: 14 (1)理论根本不严密。 (2)该方式是一种静力方式,无法考虑到地动感化下布局以及构件本身的不确定性要素 的发生。 (3)程度荷载的分布模式将影响到静力弹塑性阐发方式对布局抗震机能的评估成果 【26】【27】【28][2911301。 (4)该方式次要使用于第一振型为从的中低层布局,对于高振型的参取影响,还有良多 改良的处所。例如说,对于反映布局失效模式的环节性要素——弹塑性层间位移,现有 的静力弹塑性阐发方式还难以进行精确的评估。 2.3动力弹塑性阐发 2.3.1动力弹塑性阐发的道理 动力弹塑性时程阐发最早始于20世纪50年代。相对于静力弹塑性阐发方式而言, 动力弹塑性阐发方式是一种间接基于布局动力方程的数值方式,能够获得布局正在地动做 用下各时辰各个质点的位移、速度、加快度和构件的内力,给出布局开裂和的挨次, 发觉应力和变形集中的部位,获得布局的弹塑性变形和延性要求,进而判明布局的 机制、亏弱环节及可能呈现的类型,还能够反映地面活动的标的目的、特征及持续感化 的影响,也能够考虑地基和布局的彼此感化、布局的各类复杂非线性要素(包罗几何、 材料、鸿沟毗连前提非线性)以及分块阻尼等问题。近年来,动力弹塑性阐发方式曾经 越来越受注沉,良多国度曾经把它列入国度规范,做为保守规范设想方式的需要弥补。 动力弹塑性阐发方式从选定合适的地动动输入出发,采用布局无限元动力计较模子 建登时震动方程,然后采用数值方式对方程进行求解,计较地动过程中每一时辰布局的 位移、速度、加快度响应,从而能够阐发出布局正在地动感化下弹性和非弹性阶段的内力 变化及构件逐渐破损的过程。 求解弹塑性动力方程的数值方式目上次要采用的是间接积分法【311。该方式的阐发思 是:对于正在地动动如许犯警则的动力感化下布局的动力反映阐发,可将时间f划分为 很多细小的时间段出,由动力方程的数值积分获得其数值解。如图2.4所示,当已知结 构正在乙时辰的反映值{“)。,{“)。,{“)。,能够采用数值方式由动力方程确按时间段△f后 反映的全过程。 青岛理1i人学r‘学ff【J!Ij学位论脚 以 “时辰 l(月÷l卜(刀) 图2.4数值积分法根基道理 2.3.2动力弹塑性阐发方式 间接积分法针对离散时间点上的值进行计较,十分合适计较机存储的特点,系统的 活动微分方程也不必然要求正在全数时间上都满脚,而仅要求正在离散的时间点上满脚即可。 按照正在每个时辰反映值的分歧,间接积分法能够分为以下几种: (1)核心差分法 核心差分法是用无限差分取代位移对时间的求导。若是采用等时间步长, 址。=At, 则由核心差分获得速度和加快度的近似为: 厶。:丝![丝=!,玉。:纽二堡±坠 (2.3.1) jZ厶i△t‘ 而离散时间点上的活动方程为: lgn=“(乙),“。=“(乙),“。=“(厶)(n=O,1,2…) (2.3.2) 系统的活动方程为: mu(t)+cu(t)4-ku(t)=P(f) (2.3.3) 将式(2.3.1)代入上式(2.3.3),获得‘时辰的活动方程为: ” “ (2.3.4) 聊监名竽堑+c警+ku。:只 △r2 2△f J及.tn以前时辰的活动已知,则能够把已知项移到方 上式中的Un和Un一。都是已知的,即tn 程的左边,拾掇得: 寺+寺‰=£砸一等心一寺一去乩 (2.3.5) 由此,操纵上式即能够获得乙+,时辰的活动响应量。 对于多度系统,核心差分法逐渐计较公式可将上式中的单度的m、c、k替 换成多度fl勺[M]、[C]f11[K]矩阵即可。 可是此方式不变是有前提的,其有阻尼和无阻尼系统的时问步长为: At≤一2:互 (2.3.6) W, 万 (2)Newmark-p法 这种方式现实上是各类加快度法的同一表达形式: z:f。+。:z:f。+1厶。+玉。。)△, (2.3.7) “H+1=“+2甜H+“肿1)△, %+。=‰+z:f。△H哼1一卢)玉一△,2+腑+-)△,2 (2.3.8) 响应的乙+。时辰加快度“川的解为: 厶川:一!!。-:::!五c竺.::至1 Q3”(239) 11--::!二五!!!::::竺:!至1二竺!!!:竺] ‰一——上五者石万L 2m ’m 上述方式称为Newmark一卢法。 间接积分法按照能否需要联立求解耦联方程组,又能够分为两大类: (1)现式方式(图2.5) 该方式需要迭代求解耦联的方程组,每个荷载步都能节制,避免误差累积,但 是计较工做量大,添加的工做量至多取度的平方成反比,如Newmark-卢法,可是 积分步长能够取得较大。 [_磊磊■] 期断能否 计较结梅的不服街力 一材口■,¨ 图2.5现式算法 17 肯。节理广人字1J学i,i!Ij‘’#匝沦之 (2)显式方式(图2.6) 该方式间接求解耦联的方程组,误差累积,难以估量误差,不存正在迭代不的问 题,计较工做量小,工做量至多取度数成『F比,如核心差分法,可是积分步长很小。 [j巫至] 一 图2.6显式算法 2.4本章小结 本章次要引见了机能化设想取布局的弹塑性阐发之间的关系,并细致引见了静力弹 塑性阐发方式和动力弹塑性阐发方式的根基道理和次要采用的方式,为以下章节奠基了 结实的理论根本。虽然现代的弹塑性阐发方式曾经取得了很大的前进,可是我们会发觉 还有很多多少问题有待于处理,跟着高层建建布局的复杂度加大,计较机程度还有待于提高。 设想人员虽然理论学问控制的很结实,可是计较机软件的使用能力还有待提高,不熟悉 现代弹塑性阐发软件己成为设想人员遍及存正在的问题。所以,做为现代建建布局的设想 人员我们必必要针对于分歧的布局合理的采用分歧的设想阐发软件,这已成为现正在设想 人员的培育趋向。 第3章ABAQUS简介及材料定义 无限元法(finiteelement method)是一种高效能、常用的计较方式。无限元法正在 晚期是以变分道理为根本成长起来的,所以它普遍地使用于以拉普拉斯方程和泊松方程 所描述的各类物理场中(这类场取泛函的极值问题有着慎密的联系)。自从1969年以来, 得了无限元方程,因此无限元法可使用于以任何微分方程所描述的各类物理场中,而不 再要求这类物理场和泛函的极值问题有所联系。根基思惟:由解给定的泊松方程化为求 解泛函的极值问题。它的道理是:将持续的求解域离散为一组单位的组合体,用正在每个 单位内假设的近似函数来分片的暗示求解域上待求的未知场函数,近似函数凡是由未知 场函数及其导数正在单位各节点的数值插值函数来表达。从而使一个持续的无限度问 题变成离散的无限度问题。 无限元的根基步调如下【32】: 1)剖分 将待解区域进行朋分,离散成无限个元素的调集。元素(单位)的外形准绳上是任 意的。二维问题一般采用三角形单位或矩形单位,三维空间可采用四面体或多面体等。 每个单位的极点称为节点(或结点)。 2)单位阐发 进行分片插值,即将朋分单位中肆意点的未知函数用该朋分单位中外形函数及离散 网格点上的函数值展开,即成立一个线)求解近似变分方程 用无限个单位将持续体离散化,通过对无限个单位做分片插值求解各类力学、物理 问题的一种数值方式。无限元法独霸续体离散成无限个单位:杆系布局的单位是每一个 杆件;持续体的单位是各类外形(如三角形、四边形、六面体等)的单位体。每个单位 的场函数是只包含无限个待定节点参量的简单场函数,这些单位场函数的调集就能近似 代表整个持续体的场函数。按照能量方程或加权残量方程可成立无限个待定参量的代数 方程组,求解此离散方程组就获得无限元法的数值解。无限元法己被用于求解线性和非 线性问题,并成立了各类无限元模子,如协调、不协调、夹杂、杂交、拟协调元等。有 限元法十分无效、通用性强、使用普遍,已有很多大型或公用法式系统供工程设想利用。 连系计较机辅帮设想手艺,无限元法也被用于计较机辅帮制制中。 19 D411351136I 3.1ABAQUS简介【33I ABAQUS是国际上功能强大的通用无限元软件之一,能够阐发复杂的固体力学和布局 力学系统,模仿很是复杂复杂的模子,处置高度非线性问题。ABAQUS不单能够做单一零 件的力学和多物理场的阐发,同时还能够完成系统的阐发和研究。例如,对于多部件问 题,能够起首为每个部件定义材料参数,划分网格,然后将它们拆卸成完整的模子。对 于大大都的模仿,用户仅需要供给布局的几何外形、材料特征、鸿沟前提和载荷工况等 数据。正在非线性阐发中,ABAQUS能从动选择合适的载荷增量和原则,并正在阐发中不 断地调整这些参数值,确保获得切确的解答,用户几乎不消定义任何参数就能节制问题 的数值求解过程。 ABAQUS具备十分丰硕的单位库,能够模仿肆意几何外形,其丰硕的材料模子库能够 模仿大大都典型的工程材料的机能,包罗金属、橡胶、聚合物、复合材料、钢筋混凝土、 可压缩的弹性泡沫以及地质材料(例如岩石)等。做为一种通用的模仿东西,ABAQUS不 仅可以或许处理布局阐发(应力/应变)问题,并且可以或许阐发热传导、质量扩散、电子元器件 的热节制(热/电耦合阐发)、声学、土壤力学(渗流/应力耦合阐发)和压电阐发等普遍 范畴中的问题。 无限元阐发包罗了三个步调:前处置、阐发计较和后处置。这三个步调正在ABAQUS 能够用来便利快速地构制模子,为部件定义材料特征、载荷、鸿沟前提等模子参数。它 还具有强大的划分网格的功能,并可查验所构制的阐发模子,提交、和节制阐发做 括静态阐发、动态阐发,以及复杂的非线性耦合物理场阐发等。正在每个求解增量步中, 求解复杂非线性动力学问题和准静态问题,出格是用于模仿短暂、瞬时的动态事务,如 冲击和爆炸问题。此外,它对处置接触前提变化的高度非线性问题也很是无效,例如模 拟成型问题。它的求解方式是正在时间域中以很小的时间增量步向前推出成果。而无需正在 20 青.1而噬I‘J、学T:’‘j:’帧lj学位沦疋 每个增量步中求解耦合的方程系统,或者生成总体刚度矩阵。ABAQUS的后处置部门称为 云纹图、动画、变形图和XY曲线 ABAQUS自带的混凝土本构模子 混凝土模子的选择比力复杂,参数简直定往往需要丰硕的经验。选择合适的混凝土 本构关系是数值阐发获得准确成果的环节。而ABAQUS本身自带的混凝土本构模子及用户 Smeared 两种混凝土本构模子:混凝土弥散裂痕模子(Concrete Model)、混 Cracking 凝土毁伤塑性模子(Concrete Model)。 DamagedPlasticity 3.2.1混凝土弥散裂痕模子 该模子比力合用于低围压(围压不跨越单压形态下混凝土可以或许承担的最大应力的 4--5倍)下枯燥变形的混凝土构件。受压时,相关联流动、等强软化的面节制;受 拉时,由的“裂痕检测面”决定一点能否开裂。 正在混凝土模子中,用拉伸软化(Tension 答应用户通过环节字*rebar正在各类梁单位中插入“钢筋”,从而构成具有分歧材料构成 的单一截面,现实插入的不必然只是钢筋,也能够是钢骨、FRP筋或其他材料。能够用 两种体例来定义拉伸软化:基于应力一应变的裂面行为,基于断裂能的裂面行为。 (1)基于应力一应变的裂面行为:该模子通过定义开裂混凝土的应力应变关系来描述混 凝土开裂后随裂痕张开而逐渐软化的过程。这种方式正在配筋少的时候,会带 来尺寸效应,即计较成果会遭到划分的混凝土单位尺寸大小影响,当裂痕少而大 时特别严沉。若是混凝土配筋恰当,裂痕比力平均,则单位尺寸效应就不显著。 Tension 骨料尺寸取钢筋曲径的比值以及模子的网格划分。 (2)基于断裂能的裂面行为:为领会决基于应力一应变的裂面行为正在少筋混凝土中的单 元尺寸小效应问题,能够采用应力一裂痕张开位移关系取代应力一应变关系。正在 线。对裂痕的暗示以及开裂后的行为的定义是该模子的焦点,当应力增大,达到 被称做“裂痕探测面”的面时,裂痕就会发生。图3.2描述了该面正在等 2l 青岛埋T人学rI学Iil!l。学位论文 效应力P和Mises等效偏应力q平面上的表示为曲线型的抗拉阶段 q肛J /一CompressionSu湾 / p/ft U0 图3.1ABAQUS中基于断裂能的拉伸软化曲线ABAQUS中的开裂面 开裂当前剪切刚度减小,称为剪畅效应。这一行为正在该模子顶用ShearRetention来描 ma)【 述,剪切模量乘以参数P来折减,p=?一:心max),s£maX,此中s为裂面正应变;s 0.S2Smax 需要用户定义。ABAQUS默认的成妇=1.O,即开裂后剪切模量不折减。弥散模子的抗压 行为只需要给出单轴环境下混凝土的应力一塑性应变关系,从而获得软化模量H(H=a/s), 当为负数时暗示已软化。 3.2.2混凝土毁伤塑性模子 该模子仍比力合用于低围压下的混凝土构件。比力凸起的是因为考虑了毁伤效应, 它更适合于模仿来去以至地动感化下的混凝土布局行为。材料是各向同性的,由毁伤弹 性、拉伸截断和压缩塑性构成,断裂过程中,由非联系关系流动塑性和各向同性毁伤弹性控 制,该模子大致非为两个部门:毁伤部门和塑性部门。 五。/Z。来定义面正在偏平面和平面应力平面上的外形,一般采用默认值即可。砗和 五。/Z。的默认值别离为2/3和1.16.软化通过单轴压应力一非弹性应变曲线和单轴压应 力一开裂应变曲线两条曲线来定义,值得留意的是膨缩角对混凝土的影响较大,应隆重取 值。 正在毁伤部门,需要别离定义拉伸和压缩行为中的毁伤,每种毁伤用两个参数来定义: 毁伤目标和刚度恢复系数。毁伤目标Z(混凝土单轴受拉毁伤演化参数)和谚.(混凝土 单轴受压毁伤演化参数)是对材料刚度阵的折减,这两个目标越大,表白毁伤越严沉, 毁伤过大会影响计较的性,因而应避免毁伤变量值跨越0.99。刚度恢复系数co,和∞,. 次要用来模仿反向加载时的刚度,能够较好地模仿裂面张开一闭合的法向行为。这两个的 值越大,恢复的越多,好比q=O和哆.=l即暗示反向加载时拉伸刚度不恢复,受压刚度 完全恢复,如下图3.3所示显示了单轴环境下的材料低周来去行为。 J ai aIo 撇=●ldnw,-o一 图3.3ABAQUS中的拉压畅回刚度恢复关系 3.3 ABAQUS自带的钢筋模子 环节字正在各类梁单位中插入钢筋,从而构成具有分歧材料构成的单一截面。现实插入的 不必然只是钢筋,也能够是钢骨、FRP筋或其它材料。第二种方式是通过Embed手艺将 桁架单位嵌入到混凝土傍边,ABAQUS会从动耦合度。现实阐发中,钢筋的本构模子 采用的是弹塑性双折线混凝土毁伤塑性模子 ,1 青岛埋T‘人学1:二≥…nI。学世论乏 妒‘1一石‰∽1) @A2’ 胪丧 ㈦4.4) d一丽pcll(x≤1、 。3㈣ 一卜赤∽n ,c。.r , (3.4.7) n2瓦 E:£。 17=——————————二———一 E:£。一j。 (3.4.8) 己 X=—— sv (3.4.9) 式中:a,.——混凝土单轴受压应力.应变曲线下降段的参数值 Z.,——混凝土的单轴抗压强度代表值 £。——混凝土峰值压应变 以——混凝土单轴受压毁伤演化参数 3.4.2钢材的本构关系 钢材的本构关系采用的是双线性随动软化模子,无刚度退化现象,考虑了包辛格效 应,考虑了钢材的强化段,钢材的弹性模量为Es,强化段的弹性模量为0.01Es,如下图 3.4所示: .一 、 a 厂矿\ , / / k—一,。 图3.4钢材双线性随动软化模子 青岛理工大学工学硕士学位论文 第4章SI酲TWE和PMSAP正在工程实例中的使用 4.1工程概况 本工程由两栋点式超高层建建构成,是集贸易、办公、室第等为一体的分析性高档 建建群。总用地面积8542 车库及商场。地上两栋塔楼,此中商住楼位于东南侧,共50层,从体布局高164.80m, 烈度6度,设想根基地动加快度0.059,地动影响系数最大值0.04,建建场地类别II类, 设想地动分组为第二组。青岛地域100年一遇根基风压0.70KN/m2,地面粗拙度按B考 虑;体型和风振系数参考《建建布局荷载规范》(GB 布局平安品级为二级,布局的设想利用年限为50年,建建抗震设防类别为丙类,布局抗 震品级为二级。 本文次要研究高层建建布局的动力弹塑性阐发,考虑到建模的复杂化和时间的问题, 拔取公寓楼部门做为研究对象。公寓楼平面呈梯形,为框架一剪力墙布局,平面尺寸为 楼布局高宽比别离为5.O和5.2,满脚《高层建建混凝土布局手艺规程》(以下简称《高 规》)最大高宽比7的要求。 按照建建功能大空间结构的特点,公寓楼采用大开间框架一剪力墙布局型式后,四 周视野宽阔,较好地满脚了建建功能要求。为尽量减小框架柱截面尺寸并提高布局全体 延性,底部框架柱(负l层至30层)采用型钢混凝土柱,同时为降低布局自沉,尺度层 大开间房间采用现浇空心板。全体布局立面如图4.1所示,尺度层的布局安插如图4.2 所示。 26 青岛理工大学工学硕士学位论文 图4.1建建立面图 图4.2尺度层平面图 青岛理工大学工学坝fJ:学位论文 4.2布局模态阐发 :.j逛缸. 本工程采用了中国建建科学研究院PKPM软件进行建模,该软件建模功能强大,速度 快,工做量较其它软件小。按照《高层建建混凝土布局手艺规程》中5.1.13:B级 高度的高层建建布局和本规程第10章的复杂高层建建布局,应合适下列要求:1. 应采用至多两种分歧力学模子的三维空间阐发软件进行全体内力位移计较;2.抗震计较 时,宜考虑平扭耦联计较布局的扭转效应,振型数不该小于15,对多塔楼布局的振型数 不该小于塔楼数的9倍,且计较振型数应使振型参取质量不小于总质量的90%;3.应采 o 用弹性时程阐发法进行弥补计较;4.宜采用弹塑性静力或动力阐发方式验算亏弱层弹塑 现实环境,正在SATWE阐发取设想参数弥补定义中,活荷载折减系数取为0.5,周期折减 系数取为0.8,梁端负弯矩调幅系数、梁设想弯矩放大系数为1.2,梁扭矩折减系数取 0.4,连梁刚度折减系数0.7,中梁刚度放大系数均取为1.O,进行了内力调幅及构件刚 度调整。楼板定义为刚性板,采用楼板刚性假定。 4.2.1布局自振周期 4.]: 表4.1公寓楼周期比力 周期(s) 振型号 SATWE扭转系数(%) SATWE PMSAP 1 4.2328 4.279 0.00 2 3.9729 4.159 0.00 3 3.1155 3.35l 0.99 4 1.1181 1.205 O.33 5 1.083l 1.160 0.0l 6 1.0210 1.129 0.62 7 0.6802 0.732 O.75 8 0.5554 0.634 0.07 9 0.5173 0.572 0.10 Z/互 0.74 0.78 满脚《高规》4.3.5条的要求 青岛理工大学工学硕士学位论文 振周期为4.2s摆布。两种软件计较成果分歧的次要缘由如下: 1)进行模态阐发时,PMSAP只考虑了束缚布局本身密度带来的质量,忽略一切外加荷载; 而SATWE无楼板输入,仅有楼板荷载输入,所输入的竖向荷载正在周期计较时,也会被折 代表值)较PMSAP大。 2)SATWE默认环境下是不考虑楼板感化的,用梁刚度增大系数等代,而且

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