地震作用下高层、高耸结构中转动惯性效应的研究

摘要

本文研究地震作用下高层、高耸结构的转动惯性效应。针对高层、高耸结构，考虑弯曲、剪切和轴向变形，建立层/段间剪力和弯矩的计算公式；构建“被研究块体”，推导给出考虑转动惯性时的被研究块体的动力学平衡方程；在时间域上交替运用层/段间剪力和弯矩的计算公式和被研究块体的动力学平衡方程，分别提出了考虑和不考虑转动惯性的弹性及弹塑性分析的数值计算方法。通过与有限元方法的计算结果进行对比，验证了本文方法的正确性。 本文根据美国地质勘测中心(USGS)对场地土的划分标准，从美国加州大学地震动数据库中选取主要地震记录作为输入荷载。弹性分析时，根据中国建筑抗震设计规范，按照8度设防将水平地震波峰值加速度调整为0.2g，竖向地震波峰值加速度调整为水平峰值的0.65倍。弹塑性分析时，未对地震波进行调幅，直接输入强震记录。 分析了三种典型高耸、高层框架结构在水平和竖向地震共同作用下的地震响应。通过对210米高钢筋混凝土烟囱和310.1米高电视塔的弹性分析，分别研究了考虑和不考虑转动惯性情况下，段间剪力、弯矩以及地震作用正应力最大值空间分布的变化规律。通过对24层框架结构的弹塑性分析，对比了考虑和不考虑转动惯性情况下的层间剪力的绝对值最大值；研究了考虑和不考虑转动惯性情况下屈服楼层分布的变化规律。针对考虑和不考虑转动惯性情况，分别研究了塑性刚度系数变化对楼层屈服的影响。分析了竖向地震的作用力及楼层柱子的拉压状态。 另外，针对三种结构，通过是否考虑刚度系数中的轴向力，设置三种分析工况，研究了几何刚度中的轴向力（竖向地震作用力和结构自重）对结构水平地震响应的影响。 数值研究结果表明：转动惯性效应显著影响高耸、高层框架结构的地震响应。对于高宽比大的高耸烟囱和电视塔，转动惯性效应使其中上部的段间剪力、弯矩以及地震作用正应力明显增大。对于高层框架结构，不考虑转动惯性时计算给出的屈服楼层数量多，考虑转动惯性时计算给出的屈服楼层数量少。竖向地震作用和结构自重对高耸、高层框架结构由水平地震作用产生的层间剪力影响很小。高层框架结构在强竖向地震作用下，楼层的柱子可出现受拉状态。在结构抗震计算中，建议考虑转动惯性效应。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

第二章 高耸、高层结构动力响应的波动分析方法

第三章 本文计算方法的程序实现

第四章 地震波的选取

第五章 结构中的转动惯性效应

第六章 结论和展望

参考文献

作者简介、作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢