刚度比对掉层框架结构抗震性能的影响研究

摘要

掉层框架结构是实际工程中应用最为广泛的山地建筑结构形式，受不等高约束的影响，其水平和竖向刚度分布都不均匀。本文以刚度比为研究变量，选取两种目前研究较多的掉层框架结构刚度比指标——左右刚度比和层刚度比，来衡量结构刚度比的变化，采用试验和有限元分析相结合的方法，探究刚度比与掉层框架结构抗震性能之间的关系。　　本文完成的主要工作及结论如下：　　①设计了1个掉层框架结构的振动台试验模型。以团队2018年进行的山地结构振动台试验中的典型掉层框架结构原型为基础，以刚度比为变量，设计了1个缩尺比例为1/8的掉层框架结构试验模型，并对缩尺模型材料、相似关系、测点布置、地震波选择、试验加载制度、模型制作及配重设计等方面进行了详细介绍。　　②从试验现象、动力特性、加速度反应和位移反应四方面对振动台试验结果进行了分析。试验结果显示，结构在上接地层接地端破坏最为严重；在7度多遇和8度多遇地震作用下，结构基本处于弹性工作状态，而后随着地震作用的加强，结构频率逐渐减小，损伤不断累积，刚度逐渐退化；上接地端在一定程度上限制了上接地层的变形，使其相对掉1层的变形增幅较小，上接地2层和3层的变形增幅更为显著；结构的最大层间位移角多出现在上接地层~上接地3层。　　③与2018年典型掉层框架结构振动台试验结果进行对比，从试验现象、动力特性、地震响应等方面分析了二者的差异。结果表明，模型N在上接地层接地侧的损伤程度相对较轻，在上接地层接地侧和非接地侧的损伤程度更接近，在各楼层的层位移分布更为均匀，并未出现程度较大的层间位移角突变的现象。在一定程度上，增大掉层框架结构的左右刚度比和层刚度比有利于结构抗震性能的提高。　　④基于试验原型结构，通过改变结构布置，设计了1组算例，利用Perform-3D软件进行空间掉层框架结构算例的弹塑性时程分析，研究左右刚度比和层刚度比对掉层框架结构抗震性能的影响范围和影响程度。结果表明：相较于左右刚度比，层刚度比对掉层框架结构抗震性能的影响更显著，主要体现在上接地层层间位移角、结构滞回耗能百分比、上接地构件的损伤等方面，而左右刚度比只能大致反映上接地层接地侧和非接地侧柱的剪力分配情况，在进行掉层框架结构设计时，应着重关注层刚度比这一刚度比指标。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状

1.2.1 掉层框架结构刚度的研究

1.2.2 掉层框架结构破坏机制的研究

1.2.3 掉层框架结构试验的研究

1.3.1 研究目的

1.3.2 研究内容

2 振动台试验方案设计及实现

2.1 试验背景

2.2 掉层框架结构的刚度比研究基础

2.3 原型结构设计

2.4 振动台简介

2.5 模型结构设计

2.5.1 模型材料确定

2.5.2 相似关系计算

2.5.3 材性试验

2.5.4 缩尺模型设计

2.6 模型制作

2.7 模型配重设计

2.8 振动台试验方案

2.8.1 试验仪器及测点布置

2.8.2 地震波选择

2.8.3 试验加载制度

2.9 本章小结

3 振动台试验现象及结果分析

3.1 试验现象

3.1.1 7度多遇地震试验阶段

3.1.2 8度多遇地震试验阶段

3.1.3 8度设防地震试验阶段

3.1.4 8度罕遇地震试验阶段

3.1.5 更高烈度地震试验阶段

3.2.1 动力特性分析

3.2.2 加速度反应分析

3.2.3 位移反应分析

3.3 两次试验结果对比

3.3.1 试验现象对比

3.3.2 动力特性对比

3.3.3 地震响应对比

3.4 本章小结

4 刚度比对掉层框架结构抗震性能影响规律

4.1 引言

4.2 数值模拟软件简介

4.2.1 材料的本构关系

4.3 试验原型结构的有限元模拟

4.3.1 频率对比

4.3.2 顶点位移对比

4.4 算例设计

4.5 弹塑性分析

4.5.1 层间位移角

4.5.2 上接地层柱剪力分配比例

4.5.3 结构的滞回耗能

4.5.4 结构构件的损伤状态

4.6 本章小结

5 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 研究展望

参考文献

附 录

A. 原型结构配筋图

B. 模型结构配筋图

C. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

D. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

E. 学位论文数据集

致谢