竖向脉冲型地震下超高层建筑结构的波动分析

摘要

为满足建筑功能和水平抗侧刚度的需求，超高层建筑结构自身存在纵向刚度和质量的不均匀变化，内部核心筒和外部框架柱轴向刚度相差较大等问题，这些结构上的不连续性会使纵向脉冲对结构响应更加敏感。同时，在近断层地区，地震动具有较大的V/H值，且竖向地震波传播速度快，能将地震能量在更短时间内传入结构。这些结构自身因素和竖向地震动特点都决定了超高层建筑结构在竖向地震下的脉冲波动效应不容忽视。地震波从结构底部传播到结构顶部需要一定的时间，这会造成结构的宏观振动显著滞后。传统的基于振动力学的方法在结构抗震分析中已被广泛应用，但振动方法不能考虑地震波传播的时延性和应力波叠加效应。而基于波动力学的方法能够充分反应波动效应，且对结构中的不连续性更加敏感。
　　本文针对上述超高层建筑结构的波动效应展开研究。将超高层建筑结构简化为一维糖葫芦串模型和二维模型，采用了简化波动分析方法和波谱单元方法计算分析结构在竖向地震下的动力响应。通过两种方法的计算和分析，得到以下研究成果:
　　(1)通过结合振动力学和波动力学，推导了考虑阻尼和重力效应的纵波通过集中质量的反射和透射系数，提出了简化波动计算的求解策略。通过结构力学基本原理，在反射和透射系数中考虑的了剪切效应的影响。
　　(2)在现有波谱单元法的基础上，推导基于Timoshenko梁理论的波谱单元刚度矩阵，用修正的动力方程考虑地震波传播的时延性。
　　(3)通过对结构进行波动分析并与振动方法的比较可以得出，采用的波动方法能够较好体现结构的脉冲波动效应。结构在竖向地震下，竖向构件的轴力波动较大，横梁的剪切作用和相对错动效应显著。这些累积损伤对结构在后继水平强震下的抗震性能造成不利影响，其中轴力波动造成构件的抗剪切能力下降，横梁的剪切损伤将会导致结构的框架作用消弱。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景和意义

1．2 超高层建筑结构

1．2．1 外部框架柱-伸臂桁架-核心筒结构体系

1．2．2 束筒结构体系

1．2．3 筒中筒结构体系

1．3 竖向地震作用

1．4 结构地震响应计算

1．4．1 振动方法

1．4．2 波动方法

1．5 研究内容

第2章 一维纵波通过集中质量的反射和透射系数

2．1 引言

2．2 相关假定

2．3 纵波反射透射系数推导

2．4 参数分析

2．4．1 不同阻尼系数对反射和透射系数的影响

2．4．2 不同轴向刚度比对反射系数和透射系数的影响

2．4．3 不同质量比(Mf/Mw)对反射系数和透射系数的影响

2．5 应用于土结相互作用

2．6 本章小结

第3章 竖向地震下超高层建筑结构的简化波动分析

3．1 引言

3．2 纵波在结构中传播的模拟

3．2．1 相关假定

3．2．2 应变率效应

3．2．3 轴向构件的控制方程

3．2．4 集中质量的控制方程

3．2．5 层间阻尼等效

3．2．6 波动计算策略

3．3 算例

3．3．1 简化模型1算例

3．3．2 简化模型2算例

3．3．3 简化模型间对比

3．4 本章小结

第4章 竖向地震下超高层建筑结构的波谱单元分析

4．1 引言

4．2 Timoshenko梁波谱单元刚度矩阵

4．3 构件单元刚度矩阵

4．4 考虑时延性的动力方程

4．5 计算流程

4．6 算例分析

4．6．1 悬臂梁算例

4．6．2 超高层建筑结构算例

4．7 本章小结

结论和展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢