大型复杂工程结构整体模型振动台试验的动力相似理论

摘要

随着人们对地震危险性认识的深入，复杂高层建筑抗震性能的研究越来越受到关注。工程结构整体抗震性能的研究通常有试验研究、理论分析和仿真分析三种手段。工程结构整体模型振动台试验是研究结构整体抗震性能的重要手段之一。动力相似理论研究是振动台模型试验的基础和重点问题。本文结合国家自然科学基金重点项目“结构振动台模型试验技术及远程协同试验方法研究”，对大型复杂工程结构振动台模型试验的非线性动力相似关系进行了试验研究和理论分析，主要研究内容如下。 (1)进行了微粒混凝土的尺寸效应、应变率对微粒混凝土力学性能的影响和不同初始静载下微粒混凝土动态力学性能的试验研究，建立了静态和不同应变率下微粒混凝土的本构模型。对微粒混凝土和普通混凝土的相似性进行了探讨。 (2)在分析紫铜板在振动台模型试验中模拟钢结构材料适用性的基础上，研究了不同厚度的紫铜板在不同应变率下的力学性能，并模拟了焊接对紫铜板力学性能的影响。进行了不同直径的铁丝在不同应变率下的力学性能试验。对紫铜板、镀锌铁丝与钢材料的相似关系进行了探讨。 (3)针对现有微粒混凝土弹性模量取值的偏差，提出了微粒混凝土与普通混凝土割线模晕相似的概念。提出了考虑不同楼层混凝土弹性模量偏差影响的楼层混凝土弹性模量确定方法；针对混合结构体系的特点，提出了不同材料体系等效弹性模量的确定方法。总结归纳了重力效应对相似关系的定量影响。针对消能减震体系在复杂高层建筑中应用越来越多的现状，提出了消能减震体系的相似关系。提出了楼板、桁架、型钢构件等的相似关系等效处理方法。 (4)按照本文提出的相似关系设计方法和模型材料强度控制准则以及振动台模型试验施工方法制作了钢—混凝土混合结构高层建筑的1/10、1/20和1/30三个模型，并进行了不同地震烈度下的振动台模型试验。三个不同比例模型的动力特性和动力响应方面具有很好的相似性，宏观破坏形态方面有较好的一致性。结果表明该结构的相似关系和振动台试验结果是合理的，也证明了采用小比例模型进行振动台试验的可行性。通过试验验证了前面提出的弹性模量取值方法、不同楼层混凝土弹性模量的等效方法和不同结构体系弹性模量等效方法的合理性。 (5)对4幢复杂高层建筑的振动台模型试验结果与现场测试结果进行了对比分析，验证了本文提出的动力相似理论的合理性和小比例高层建筑模型试验的可行性。 (6)基于CANNY2008非线性仿真分析程序，进行了2幢高层建筑抗震性能非线性时程分析，并与模型试验结果进行了比较，验证了本文提出的非线性动力相似理论的正确性。 最后，对进一步工作的方向进行了简要的讨论。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 引言

1.1概述

1.1.1地震活动在我国频繁出现

1.1.2模型试验的发展

1.1.3复杂结构的日益增多

1.1.4结构抗震研究的手段

1.1.5振动台整体模型试验研究的必要性

1.2振动台模型试验的研究现状

1.3模型试验模拟材料研究现状

1.4模型试验相似理论的研究现状

1.4.1相似理论的历史

1.4.2模型动力相似的条件

1.4.3 动力模型试验的基本相似关系

1.4.4动力模型试验相似理论的研究进展

1.4.5 由模型结果推算原型结构性能的研究现状

1.5钢-混凝土混合结构抗震性能研究现状

1.6本文的主要工作

第2章钢筋混凝土结构模型材料的试验研究与分析

2.1混凝土的模拟

2.1.1 引言

2.1.2微粒混凝土配合比的设计

2.1.3不同应变率下微粒混凝土的力学性能

2.1.4不同初始静态荷载下微粒混凝土的动态抗压强度

2.1.5微粒混凝土的尺寸效应研究

2.2钢筋的模拟

2.2.1 引言

2.2.2镀锌铁丝的力学性能研究

2.3钢筋与混凝土粘结的模拟

2.4小结

第3章钢结构模型材料的试验研究与分析

3.1概述

3.2钢结构的模型材料

3.2.1 概述

3.2.2采用钢作为模型材料

3.2.3 紫铜

3.3小结

第4章 复杂高层建筑的动力相似关系

4.1模型弹性模量的确定

4.1.1 混凝土弹性模量的确定

4.1.2楼层混凝土等效弹性模量的确定

4.1.3不同材料体系等效弹性模量的确定

4.2重力效应对相似关系的影响

4.3模型试验材料强度控制准则

4.3.1 微粒混凝土材料的强度控制

4.3.2钢筋模拟材料的强度控制

4.3.3钢结构模拟材料的强度控制

4.4消能减震体系的相似关系

4.4.1 规范对消能减震体系的要求及分析

4.4.2消能减震体系模型的相似关系设计

4.5不同材料结构体系模型的相似关系

4.5.1 土-结构共同作用体系的相似关系

4.5.2组合截面的相似关系

4.5.3钢结构的相似关系

4.6复杂高层建筑相似关系的等效处理

4.6.1楼板的等效处理

4.6.2桁架的等效处理

4.6.3型钢梁的等效处理

4.7小结

第5章不同比例钢-混凝土混合结构相似关系的振动台试验验证

5.1 混合结构原型的设计

5.1.1 原型结构的地震信息

5.1.2原型结构的荷载信息

5.1.3原型结构的构件信息

5.1.4原型结构的主要动力特性

5.1.5原型结构的动力响应

5.2模型设计与制作

5.2.1 模型相似关系的设计

5.2.2模型制作

5.3模拟地震振动台试验

5.3.1模拟地震波的选择

5.3.2试验工况

5.3.3测点布置

5.4模型结构试验结果

5.4.1 试验现象

5.4.2模型结构振型

5.4.3模型结构自振频率

5.4.4模型结构加速度反应

5.4.5模型结构位移反应

5.4.6模型结构层剪力反应

5.4.7模型结构应变反应

5.5小结

第6章 复杂高层建筑相似关系的现场实测验证

6.1 高层建筑动力特性试验方法

6.2北京LG大厦相似关系现场实测验证

6.2.1工程简介

6.2.2振动台模型试验

6.2.3现场实测试验

6.2.4结果对比分析

6.3 同济大学教学科研综合楼相似关系现场实测验证

6.3.1工程简介

6.3.2振动台模型试验

6.3.3现场实测试验

6.3.4结果对比分析

6.4世茂滨江花园相似关系现场实测验证

6.4.1工程简介

6.4.2振动台模型试验

6.4.3现场实测试验

6.4.4结果对比分析

6.5上海世茂国际广场相似关系现场实测验证

6.5.1工程简介

6.5.2振动台模型试验

6.5.3现场实测试验

6.5.4结果对比分析

6.6小结

第7章 复杂高层建筑相似关系的数值仿真分析验证

7.1 结构分析程序

7.1.1材料的本构关系

7.1.2单元分析模型

7.1.3分析程序正确性验证

7.2钢-混凝土混合结构高层建筑相似关系仿真分析

7.2.1 动力特性分析

7.2.2加速度放大系数分析

7.2.3楼层位移分析

7.2.4层间剪力反应分析

7.3 同济大学教学科研综合楼相似关系数值仿真分析

7.3.1动力特性分析

7.3.2层间位移反应分析

7.3.3 层间剪力反应分析

7.3.4扭转反应分析

7.4小结

第8章结论与展望

8.1主要结论

8.2进一步工作方向

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果