错位转换高层建筑结构的抗震性能研究

摘要

作为一种新型特殊的转换层结构—错位转换结构，即两转换层竖向相距两个或多个楼层，平面上不在相应同一个位置，在水平方向沿楼层将形成两次刚度突变，在水平地震作用下将相对单层转换更不利，由于两转换层相互错开，转换层自身质量及承担荷载比较大，带错位转换层的高层结构将形成空间偏心，在水平地震作用下将引起结构不利的扭转反应，而关于此类特殊转换层结构的研究文献很少，针对上述特点，本文开展了以下几个方面的工作： (1)根据一实际带错位转换层高层结构制作一缩尺模型进行了振动台试验，研究了结构在7度小震、中震及大震阶段结构动力特性和动力反应的变化。水平地震作用下两错位转换层上一层形成层间位移角的突变，层间位移包络图在显示其突变程度上偏于保守；竖向地震作用下，下部转换层大跨度转换梁将可能形成一薄弱环节。 (2)采用振动台试验和理论计算分析研究了土和地下室相互作用对错位转换结构抗震性能的影响。从试验结果来看，在中震和大震作用下，土体由于发生不可恢复的塑性变形，在土体与地下室之间形成缝隙，造成高层结构地下室与土体之间发生碰撞，容易使结构±0.000标高处附近结构出现破坏。采用Sap2000中Gap单元模拟土与地下室的碰撞作用，研究了结构刚度变化、Gap单元初始缝隙及其刚度对其作用效果的影响。 (3)改变错位转换层在竖向的整体位置及两错位转换层相对位置，研究了其对结构动力特性、动力反应及两转换层附近竖向构件水平受力性能的影响。随着错位转换层的整体上升，在转换层附近处的层间位移角突变会加剧，特别是当上、下部转换层分别位于结构1/3总高度、1/4总高度时会呈现层间位移角的双突变。 当下部转换层位于结构底部时(结构共40层)，上部转换层位于第6层以上时，层间位移角会出现明显突变，特别是位于第14层时，突变程度会比较剧烈。当上部转换层位于结构1/4高度左右时，从层间位移角反应来看，下部转换层与其相距三层时结构反应最不利。 从竖向构件受力特点来看，上部转换层上三层框支剪力墙剪力均呈现明显的突变；下部转换层上梁托柱其剪力会大部分情况下会在转换层上一层形成明显突变，且随着下部转换层的升高，其突变程度进一步加剧。 (4)采用振型分解反应谱法和时程分析法对错位转换高层结构在竖向地震作用下的抗震性能进行了的研究。分析了竖向振型数对结构内力的影响；分析了CQC法和SRSS法对带错位转换结构构件内力计算的影响；研究了两错位转换层之间竖向层位移的特点。分析表明，竖向基本振型对结构构件竖向地震下内力起主要作用；部分构件内力在竖向地震作用下反应谱法结果(时程计算结果)/重力荷载代表值会大大超过10％的规范比值，建议对8度带大跨度错位转换高层结构进行具体竖向地震作用计算，不宜采用一恒定比例重力荷载代表值来代替竖向地震作用内力。 (5)对比分析了两个带单层转换层的高层结构(转换层一个处于高位，一个处于低位)和带错位转换层高层结构在水平地震作用下的扭转反应。错位转换高层结构存在明显振型耦联；同等地震强度的输入，由于错位转换层的存在将使其扭转反应远大于带单层转换层高层结构的反应，建议在规范中对其位移比采用更严格的限制；位移比并不能充分反映结构的扭转反应，如平面规则带单层转换高层结构，扭转角更能反映该类结构的扭转反应特征。 (6)采用Etabs和EPDA对带错位转换高层结构进行了静力弹塑性分析。分析表明，带错位转换高层结构最后将呈现剪力墙、柱铰和梁铰共存的破坏机制。由于错位转换层的存在，结构模型的临界破坏状态显示结构存在较大的扭转反应。由于偏心导致的扭转反应，将使扭转的柔弱边出现在上部转换层的一侧，尤其是上部转换层的框支柱。从结构屈服前后扭转反应来看，同样，位移比未如扭转角很好反映两错位转换层之间楼层扭转反应突然增大的现象。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1高层建筑转换层的定义及分类

1.2转换层结构的研究进展

1.2.1梁式转换层

1.2.2桁架式转换层

1.2.3板式转换层

1.3研究问题的提出

1.4主要研究内容

第二章错位转换高层建筑结构模型的振动台试验研究

2.1原型结构简述

2.2模型设计及制作

2.2.1相似原则

2.2.2模型制作

2.2.3相似系数

2.2.4试验模型

2.3试验方案

2.3.1试验用仪器设备简介

2.3.2测点布置

2.3.3加载工况

2.4试验现象

2.5试验结果分析

2.5.1动力特性

2.5.2加速度反应

2.5.3水平地震作用及层间剪力

2.5.4位移反应

2.6本章小结

第三章错位转换高层建筑结构模型计算结果与试验结果的对比

3.1引言

3.2计算模型

3.3动力特性

3.3.1自振频率

3.3.2主要振型

3.4弹性动力反应

3.4.1加速度反应

3.4.2位移反应

3.5本章小结

第四章错位转换高层建筑结构模型考虑土与地下室相互作用的振动台试验和理论分析

4.1引言

4.2边界条件的近似模拟

4.3填土、砂前后的动力特性

4.3.1自振频率与阻尼比

4.3.2主要振型

4.4填土、砂前后的弹性动力反应对比

4.5试验现象

4.6碰撞对结构地震反应的影响初探

4.7本章小结

第五章错位转换层位置对高层建筑结构抗震性能的影响研究

5.1引言

5.2计算模型

5.3错位转换层位置对结构动力特性的影响

5.3.1自振周期

5.3.2主要振型

5.4错位转换层位置对结构动力反应的影响

5.4.1错位转换层之间的竖向相对距离不变，改变其整体的竖向位置

5.4.2下部转换层位置不变，改变上部转换层的竖向位置

5.4.3上部转换层位置不变，改变下部转换层的竖向位置

5.5转换层设置高度对竖向构件内力的影响

5.6不同地震波对竖向构件内力的影响

5.6.1上部转换层附近竖向构件

5.6.2下部转换层附近竖向构件

5.7本章小结

第六章错位转换高层建筑结构在竖向地震作用下的动力特性及受力性能研究

6.1引言

6.2竖向动力特性

6.2.1竖向周期

6.2.2竖向振型

6.2.3竖向振型数对结构构件内力的影响

6.2.4振型反应谱(竖向)组合方法对结构构件内力的影响

6.3竖向动力反应

6.4竖向地震作用下主要受力构件的受力特点

6.5本章小结

第七章错位转换高层建筑结构在水平地震作用下的扭转反应研究

7.1引言

7.2计算模型

7.3动力特性

7.3.1几何特性

7.3.2自振周期及扭转周期与平动周期比

7.3.3振型及振型扭矩

7.4扭转动力反应

7.4.1相对位移比

7.4.2层间位移比

7.4.3扭转角

7.4.4顶层角点位移轨迹

7.4.5扭转作用及扭矩

7.5楼板对扭转反应的影响

7.5.1动力特性

7.5.2扭转动力反应

7.5.3扭转传力途径

7.6本章小结

第八章错位转换高层建筑结构的弹塑性地震反应分析

8.1引言

8.2 Etabs Pushover及EPDA程序简介

8.3计算模型

8.3.1 Etabs pushover计算模型

8.3.2 EPDA静力弹塑性模型

8.4弹塑性地震反应

8.4.1塑性铰出现的顺序和规律

8.4.2侧推过程中的变形

8.4.3转换层上、下竖向构件的剪力

8.4.4基底剪力——顶点位移曲线

8.4.5抗震能力

8.5本章小结

结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢