超限高层建筑弹塑性时程分析的关键问题研究及应用

摘要

随着我国经济与城市化进程的飞速发展，众多摩天大楼如雨后春笋般在神州大地上涌现，超限高层建筑就是其中的一类。由于在经济效应和社会功能上的特殊性，我国抗震规范对超限高层建筑提出了更加严格的要求，并将动力弹塑性时程分析作为其抗震设计的重要补充。因此近十多年来，针对动力弹塑性时程分析的研究已成为抗震工作者的重要课题。本文从当前弹塑性时程分析的几个关键问题出发，提出了效率更高的建模方法以及单元类型与地震波的选择建议;开发了一种能够用于杆系单元的混凝土材料本构子程序，以完善计算软件的不足;进行了高层建筑典型算例和超限高层建筑工程实例的验证和分析。
　　首先，提出了一种改进的模型导入方法。利用ANSYS参数化编程系统，编制了能将设计软件导出的原始模型进行修改并自动生成ABAQUS格式文件的程序，解决了原始模型中ABAQUS不能识别或处理不当从而影响计算率和收敛性的问题，弥补了ABAQUS不能对模型进行参数化修改的缺陷。在构件的模拟方式上采用了一种新的壳单元类型模拟剪力墙，能够在保证计算精度的前提下有效提供计算效率。
　　基于ABAQUS的二次开发平台，编制了混凝土损伤本构子程序C01。在轴压与往复横向加载模拟试验中体现出了刚度、强度退化与滞回捏拢的特性，通过在典型算例和工程实例中的应用，验证了该子程序的适用性和有效性。
　　通过对比三条频谱特性不同的地震波作用于同一框剪结构时的地震响应，研究了频谱曲线中的加速度峰值及对应周期范围对地震响应的影响。结果显示，加速度峰值对应的周期范围对结果的控制作用更大，而加速度峰值本身对响应结果的影响较小。由此提出建议:选取地震波时可以适当放宽对谱曲线加速度峰值的要求。
　　最后，将本文的研究成果应用于一幢超限超高层建筑的工程实例中，进一步考察和验证了本文提出的方法的应用效果。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外工程抗震的发展历程

1．2．1 抗震设计理论和方法

1．2．2 弹塑性时程分析软件的发展

1．3 弹塑性时程分析存在的不足与研究现状

1．3．1 本构关系的描述

1．3．2 数值模型和计算方法的选择

1．3．3 地震动输入的正确选择

1．3．4 阻尼比的取值

1．4 本文主要内容

第2章 弹塑性分析模型的建立

2．1 引言

2．2 建筑结构的建模方法

2．2．1 直接创建模型

2．2．2 从其他分析软件导入模型

2．3 改进的模型导入方法

2．3．1 模型简化

2．3．2 ANSYS预处理模型

2．3．3 生成模型inp文件的APDL命令流

2．4 构件的单元类型选择

2．4．1 梁、柱单元

2．4．2 剪力墙单元

2．5 多层壳单元模拟剪力墙结构

2．6 材料属性选择

2．6．1 钢构件本构模型

2．6．2 混凝土本构模型

2．7 数值计算方法

2．8 本章小结

第3章 混凝土本构模型与子程序的开发

3．1 混凝土单轴损伤本构理论

3．2 用户材料子程序VUMAT简介

3．3 本文开发的钢筋混凝土材料子程序

3．4 单元划分的局部化效应

3．5 材料本构子程序的验证

3．5．1 轴向加载试验

3．5．2 横向往复试验

3．6 验证子程序在简单结构上的有效性

3．6．1 对照软件——ZeusNL介绍

3．6．2 算例概况

3．6．3 模态分析结果比较

3．6．4 时程分析结果比较

3．7 本章小结

第4章 框剪结构弹塑性地震分析

4．1 引言

4．2 工程概况

4．3 结构动力特性

4．4 地震波选用

4．5 天然波的频谱特性

4．6 计算结果分析

4．6．1 底层剪力及剪重比

4．6．2 顶层位移

4．6．3 层间位移角

4．6．4 构件性能分析

4．7 本章小结

第5章 超高层动力弹塑性时程分析实例

5．1 工程与模型概况

5．1．1 工程概况

5．1．2 结构动力特性

5．1．3 结构超限类型判断

5．2 地震波的选取

5．3 各组地震波分析结果汇总

5．3．1 基底剪力

5．3．2 层间位移角

5．3．3 结构顶点位移

5．4 构件性能分析

5．4．1 混凝土柱

5．4．2 外框柱中的型钢

5．4．3 主要剪力墙

5．4．4 外伸臂桁架

5．4．5 楼板(加强层)

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 本文工作总结

6．2 进一步研究的展望

参考文献