高台基仿古钢结构建筑抗震性能及设计方法研究

摘要

高台基古建筑是中国古建筑体系中的一种重要建筑类型，目前，有关其上部以木骨架作为承重结构的传统高台基古建筑的结构抗震特性方面的研究已较为成熟，但对于同形制且上部为钢框架的现代仿古建筑结构及其抗震性能的研究则较少。因钢结构具有优良的抗震性能并适于绿色产业化装配建造，其在仿古建筑结构中的应用已逐渐推广，因此，对高台基仿古钢框架建筑的结构与抗震性能进行研究，对古建筑保护与利用具有重要意义。 本文以西安城墙永宁门箭楼复建工程为背景，选用钢框架作为箭楼复建的结构承重抗侧体系，具体阐述了复杂仿古钢结构坡屋面的两种建模方法并作对比分析。采用ANSYS有限元软件分别建立高台基仿古钢结构相应的三维数值模型，并进行模态及时程分析，总结高台基对上部仿古建筑结构动力特性、变形特性及结构动力反应的影响特点，依据分析研究结果，对该类型的仿古建筑提出合理的简化设计方法。主要研究工作及成果如下： 采用ANSYS软件分别建立箭楼下部城墙高台基、箭楼钢框架结构和整体结构的有限元模型。通过对比相应的动力模态分析结果知，下部高台基改变了上部结构的振动规律，尤其对结构的高阶频率影响较大。整体结构前十阶自振频率在1.3707Hz～2.9033Hz之间，一般地震动的主要频率范围涵盖了整体结构主要振型的频率区域，说明将下部高台基与上部钢框架结构进行整体动力分析是必要的。 对上部钢框架仿古结构和整体结构分别输入El Centro波、Taft波、兰州波三种地震激励，分析、对比钢框架顶层柱顶节点的位移和加速度响应，并对其做频谱分析。结果表明：在各地震激励下，整体结构柱顶的位移和加速度响应幅值均增大，其柱顶加速度响应的平均动力系数是上部结构柱顶加速度响应的1.97倍。说明高台基的存在改变了柱顶加速度傅里叶幅值谱的幅值和分布规律。对下部城墙高台基输入地震动并进行时程分析，台基顶部节点输出的加速度幅值增大，说明高台基对地震动的滤波有放大效应。由台基顶面节点对应的加速度傅里叶谱知，其频率组成中与台基自振频率相近的频谱分量被放大。 对上部结构和整体结构补充反应谱计算，对比所选地震激励下结构柱顶位移时程最大位移时刻的结果，可知按整体结构计算的各工况地震作用下的楼层位移、楼层位移角和楼层剪力均放大，整体结构采用反应谱方法计算的地震力、楼层位移结果较保守，工程设计中对类似具有下部高台基的仿古建筑采用ANSYS等有限元软件进行抗震分析时，对整体结构应补充时程分析并进行包络设计。 工程中，对于该类下部具有高台基上部为仿古结构的建筑在进行地震作用分析时，本文提出一种解决思路:地震力放大系数法。其假定结构固定在刚性基础上计算上部结构的地震力，按有限元分析确定的放大系数计算各楼层剪力。