双向地震对地震波选取及柱抗震设计的影响

摘要

理论研究与震害经验表明，地震时地面运动和结构的反应都是复杂的多维运动。在以往钢筋混凝土结构动力反应研究中，由于技术手段的局限，研究者往往采用的是平面分析模型，只考虑在单向水平地面运动作用下的结构反应。实际上，无论是规则结构还是不规则结构，双向水平地震动作用下的结构反应与仅考虑单向水平地震作用的结构反应有较大差别，将结构简化成平面分析模型不能全面反映和揭示结构地震反应的本质。
　　 为研究双向地震作用的对结构的影响，本文重点研究了以下几个方面的内容：
　　 第一，本文最主要的一方面，是研究双向地震对结构在时程分析中选择地震波的影响，本文在目前的双频段选波法的基础上，借鉴美国ASCE和SAC的空间选波法，改进得到本文的SRSS谱选波法。应用Matlab语言，编制SRSS谱选波法的选波程序。然后分别设计了七度(0.15g)、八度(0.2g)、九度(0.4g)三个框架，以国内外新进开发的结构非线性分析工具OpenSees为平台，并对三个框架进行大量的计算，以结构的计算后三个响应为研究参数(顶点位移、层间位移角和基底剪力)来比较两种方法的离散性。
　　 第二，对于空间框架而言，有两个主轴方向，对应每个方向都有一个周期，即空间结构的T1和T2。换言之，空间框架两个主轴方向的基本周期、基本振型与平面框架的基本周期和振型具有对等的地位。考虑到空间框架结构的第二周期对选波方法的影响，对SRSS谱选波法中的双频段拟合增加到三频段拟合，并比较两种方法的离散性。
　　 第三，双向地震对柱子设计的影响。本文严格按照我国规范GB50010-2002和GB50011-2001设计了一个8度0.2g的混凝土空间框架，以SAP2000为工作平台，整理SAP2000计算得到的内力，经过人工组合，按照是否考虑偶然偏心和双向地震的不同组合进行计算配筋，并比较几种结果。
　　 通过上述分析，本文得出了如下结论：
　　 ①弹性状态下，传统的双频段选波法和SRSS谱比较结果如下：七度、八度、九度三个框架顶点位移、层间位移角和基底剪力均值都很接近，但是方差与均值的比值而言，SRSS谱法更小，且数值的涉及范围相对要小，所以离散性较小。
　　 ②弹塑性状态下，传统的双频段选波法和SRSS谱比较结果如下：七度、八度、九度三个框架顶点位移、层间位移角和弹性状态结果一致，均值都很接近，但是方差与均值的比值而言，SRSS谱法更小，且数值的涉及范围更小，所以离散性较小。但是对于基底剪力而言，由分布范围和均值来看，两者十分相近，但是平面的双频段法离散性较SRSS谱法相对较小，相差不大。
　　 ③在对本文的8度框架进行了大小样本的比较，结果显示，比较的顶点位移、层间位移角和基底剪力三项而言，大样本的平均值大小在小样本的平均值和最大值之间，比小样本的平均值大，但是比小样本的数值小，为合理状态。
　　 ④随后文章还比较了考虑结构第二周期影响的SRSS谱三个频段的选波法和SRSS谱选波法，可以发现：虽然前者在容许误差上大于前者，但是弹性位移(最大顶点位移和最大层侧移)和弹性基底剪力三个研究参数上，双周期法的离散性较SRSS谱法要小；在弹塑性位移上(最大顶点位移和最大层侧移)，两者离散性十分接近，只是在基底剪力上离散性稍微大了点。能在容许误差相差较大的基础上得到这样的结果，因此可以得出这样的结论：考虑双周期的选波方法是优于SRSS谱双频段选波方法的。
　　 ⑤文章最后比较了柱子在考虑或者不考虑双向地震或者偶然偏心的几种情况下的配筋。发现偶然偏心和双向地震对中间柱子影响很小，对于边柱，同时考虑双向地震和偶然偏心计算所得柱子配筋偏大。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1结构地震反应分析模型

1.2多维地震动对结构的影响

1.3双向地震作用下结构反应研究现状

1.4时程分析法的选波现状

1.5本文的主要研究目地

1.6本文的主要研究内容

2非线性动力反应分析程序介绍

2.1程序概述

2.2 OPENSEES中有限元模型的建立

2.3本文所采用的单元力学模型简介

2.3.1纤维模型简介及其在OPENSEES程序中的实现

2.3.2柔度法简介及其在OPENSEES程序中的实现

2.3.3材料的本构关系

2.3.4本文框架模型化方法的主要优缺点

2.4非线性分析模型的建立

2.4.1材料强度及弹性模量

2.4.2混凝土本构模型中的其他参数

2.4.3钢筋本构模型中的其他参数

2.4.4施加在结构上的荷载与质量

2.4.5瑞雷(Rayleigh)阻尼系数的确定

2.4.6梁柱抗扭刚度取值

2.4.7梁柱纤维截面的划分

3结构时程分析法输入地震动的选择和控制

3.1引言

3.2时程分析法的主要用途

3.3时程分析中地震波的来源

3.4目前的四种输入地震动选择控制方案

3.5空间框架的选波方法

3.5.1平均谱和SRSS谱

3.5.2美国SAC的选波方法

3.5.3美国ASCE 7的选波方法

3.5.4改进的选波方法

3.5.5 MATLAB简介及程序流程图

3.5.6拟合时反应谱间距

4结构算例分析

4.1引言

4.2结构设计参数

4.3应用程序介绍

4.4选波说明

4.5地震波其它参数的确定

4.6不同方案选择输入地震动时程分析计算结果对比分析

4.6.1弹性响应的比较

4.6.2弹塑性响应的比较

4.6.3比较结果小结

4.7大小样本比较

4.8本章小结

5关于考虑双周期的SRSS谱选波法

5.1引言

5.2空间框架第二振型的重要性

5.2.1框架的基本信息

5.2.2考虑双周期的SRSS谱选波方案

5.3算例分析

5.3.1选波说明

5.3.2弹性状态下结构响应对比

5.3.3弹塑性状态下结构响应对比

5.4本章小结

6双向水平地震作用下的柱子配筋

6.1考虑双向地震的意义

6.2柱子内力组合时的几个因素

6.3柱子组合的几种方案比较

6.3.1比较的几种方案

6.3.2算例

6.3.2结果比较

6.4本章小结

7结语

7.1本文的研究工作和主要结论

7.2需要进一步研究的工作

致 谢

参考文献

附 录