高层建筑结构增层改造及弹塑性分析

摘要

近年来，随着经济社会的发展和人民生活水平的提高，人们对建筑结构的功能要求越来越高，比如建筑面积、建筑层高、建筑立面、使用功能分区等。这使得建筑物的增层改造工程应势迅速发展。在建筑物的增层改造工程中，钢结构增层优势显著，为工程中常用方案。但钢结构增层后，结构在竖向会发生质量和刚度突变，使增层后结构整体对于水平作用(水平地震作用、水平风荷载)的响应发生很大改变，在高层、超高层建筑中这种影响更加明显。而目前我国对这种结构的抗震性能研究较少，也没有相应的规范和技术规程对此明确说明。所以本文以实际工程为背景，对该类问题进行了研究，本文主要进行了以下工作：
　　 1、针对某高层框架-核心筒结构，建立非线性三维有限元模型，施加重力载荷进行静力分析，通过结构沿竖向变形情况及其等效应力分布特点，得出增层后重力作用下结构应力、变形均沿高度方向均匀变化，说明该工程增层方案、增层设计及加固技术合理有效。
　　 2、利用ANSYS有限元软件对结构模型进行模态分析，得到结构自振周期及振型。并与PKPM结果进行比较，说明模型建立的合理性。由此得出钢结构增层主要影响结构高阶振型，对低阶振型影响很小，同样可以说明，钢塔因与相邻部分质量、刚度悬殊而产生的“鞭梢效应”是由结构高阶振型产生的。
　　 3、利用ANSYS有限元软件，通过分别单向输入7度多遇地震加速度时程的El Centro波和Taft波，对该结构进行弹塑性分析，并与PKPM软件地震作用静力计算结果对比，得出两软件计算的层位移基本相同，而层间位移角在原结构部分基本相同，在钢塔部分差别较大，所以对于类似工程设计有必要进行有限元辅助分析。
　　 4、通过分别输入7度罕遇地震加速度峰值的两条单向地震波，对该结构模型进行弹塑性动力时程分析，得出在两种波的激励下，结构的整体变形和层间位移角均满足现行抗震规范的限制要求，但发现不同地震波输入时结构各种响应的时程曲线相差较大，其中El Centro波响应较Taft波大。
　　 5、通过输入大于7度罕遇地震的加速度峰值的地震波，寻找结构在地震过程中最先进入塑性的区域为剪力墙根部，但塑性变形较小，未导致承载力丧失。并可结合罕遇烈度分析，得出结构塑性区域发展特点为仅沿剪力墙向上发展，故可建议设计中对该区域适当加强。
　　 6、在其他因素不变的前提下，对钢塔框架柱截面加倍，输入地震波进行分析，得出单纯的增大钢塔抗侧刚度，不能使结构竖向质量、刚度连续性变化。为利于抗震，应在设计时使增层后结构整体刚度沿竖向均匀、连续性变化。
　　 7、各种地震波激励下，结构的层位移均为自下而上逐渐增大，到顶层时达到位移最大值，而层间位移角最大值均发生于19层，说明高层建筑结构在水平地震作用下，其整体位移曲线呈随建筑物高度增加而增大的趋势，而层间位移角变化则呈现自下而上沿高度方向迅速增大，达到一定高度后便开始减小的趋势，该转折点发生在结构中部，符合高层建筑结构变形规律。

目录

文摘

英文文摘

第1章 引言

1.1 课题研究的背景

1.1.1 既有建筑物增层改造的优越性

1.1.2 既有建筑物增层改造的基本原则

1.1.3 国内外既有建筑物增层改造的概况

1.1.4 既有建筑物的增层改造的结构方案

1.2 既有建筑物进行钢结构增层的意义

1.2.1 钢结构增层改造的优越性

1.2.2 钢结构增层改造的对象

1.3 国内外对高层建筑结构加建钢塔的研究

1.4 本课题研究的主要工作

第二章 某高层建筑结构增层改造及其有限元静力分析

2.1 有限元法理论概述

2.2 有限元分析中常用计算模型

2.3 ANSYS有限元软件及其高级使用介绍

2.4 工程概况

2.5 有限元模型的建立

2.5.1 ANSYS中模型单元的选取

2.5.2 单元介绍

2.5.3 边界条件处理

2.5.4 有关弹塑性计算参数的选取

2.6 增层设计

2.6.1 框架梁加固

2.6.2 框架柱加固

2.6.3 节点构造

2.7 增层后重力荷载作用下的结构响应

2.8 本章小结

第三章 结构动力特性分析

3.1 模态分析基本理论

3.2 模态分析

3.3 本章小结

第四章 结构在地震作用下的时程分析

4.1 瞬态动力学分析基本理论

4.2 地震波的选取

4.2.1 合理选择地震波的重要性

4.2.2 选择地震波的原则

4.2.3 地震波的调整

4.2.4 地震波的输入

4.3 质量矩阵和阻尼矩阵

4.3.1 质量矩阵

4.3.2 阻尼矩阵

4.4 动力方程求解

4.4.1 动力学分析求解方法

4.4.2 Newmark法理论

4.5 动力时程计算结果及分析

4.5.1 Taft波、El centro波、PKPM多遇烈度结果对比

4.5.2 El centro波不同加速度峰值输入时的结果对比

4.5.3 Taft波输入增层模型及调整后模型计算结果

4.6 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况