隔震建筑抗极罕遇地震能力与主要破坏模式分析∗

隔震措施可以使上部结构在罕遇地震下处于弹性或轻微弹塑性状态,从而有效保护设防烈度下结构地震安全。但是,由于地震发生、强度和特性的不确定性,在设计基准期内结构也可能遭受极罕遇地震的作用,基于"大震不倒"设计的隔震结构在罕遇地震及极罕遇地震作用下隔震支座变形和结构整体抗倾覆安全以及实现抗极罕遇地震的能力和代价需要特别研究。本文通过弹塑性时程分析,比较三种不同高度的隔震结构层间位移角、叠层橡胶隔震支座位移及结构倾覆力矩,分析结构在极罕遇地震下隔震层(也即叠层橡胶支座)位移超限和整体倾覆的主要失效模式。结果表明:极罕遇地震下,基于"大震不倒"设计的隔震结构支座位移可能会超出限值,层间位移角和结构倾覆力矩通常可以满足要求。隔震支座尺寸适当增大、相应极限变形能力提高,能够控制极罕遇地震下结构隔震层变形破坏,但上部结构隔震效果有所下降;适当减小上部结构高宽比能够控制极罕遇地震下隔震结构、尤其高层隔震结构的整体倾覆破坏。因此,兼顾安全性和经济性,有效增大隔震支座极限位移、适当减小高层隔震结构高宽比,实现隔震建筑抗极罕遇地震能力,是付出代价不大、经济适用的一条有效途径。     

圆柱面巨型网格结构的粘滞阻尼器减震研究

以圆柱面交叉立体桁架系巨型网格结构为研究对象,在多遇地震下,选取结构的节点位移、加速度峰值为控制指标,运用ANSYS软件采用时程分析法从粘滞阻尼器的布置方案、阻尼系数等方面研究减震效果。比较分析后确定较优的布置方案及阻尼系数,进一步分析罕遇地震时的减震效果。结果表明,多遇地震时,采用大网格均匀布置的方式较部分大网格集中布置有更好的减震效果。随着阻尼系数的增大,位移减震率呈增长速率逐渐减小的递增趋势。当阻尼系数相对较小时,加速度减震率增长速率很快,但随阻尼系数增大会有降低的趋势。罕遇地震时,减震控制下的结构响应明显减小,屈服杆件大幅减少,粘滞阻尼器表现出较好的耗能特性。该研究结果对粘滞阻尼器应用于巨型网格结构中的减震设计有指导意义。     

防屈曲支撑巨型结构抗超大震性能分析与设计

为研究防屈曲支撑对巨型结构的减震控制效果,首先采用SAP2000,按照现行规范8度设防的要求,设计了一座48层巨型框架结构,并将此结构的所有普通支撑分别用与其等刚度和等面积的防屈曲支撑代替,得到等刚度防屈曲支撑巨型结构和等面积防屈曲支撑巨型结构,然后对3个结构进行8度、8.5度和9度罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。分析结果表明:在8度罕遇地震作用下,防屈曲支撑巨型结构较巨型结构的最大层间位移角有明显减小,且层间位移角变化更均匀;防屈曲支撑巨型结构能达到"大震可修,超大震不倒"的抗震设防目标,提高了结构的安全储备。     

东方体育中心抗震设计及屈曲约束支撑的应用

介绍了抗震设计及屈曲约束支撑在东方体育中心的应用。详细介绍了屈曲约束支撑的细部构造、工作原理、截面选择和节点设计等问题,并结合本工程的抗震设计,通过对结构进行的弹塑性时程分析,考察了屈曲约束支撑在罕遇地震作用下地震反应,以及结构在罕遇地震作用下的位移、剪力反应,并与采用普通支撑的结构方案进行对比,显示出屈曲约束支撑的优越性。     

随机地震激励下相邻隔震结构被动控制研究

利用隔震结构和非隔震结构间的相互作用来减小地震作用下的结构响应,考虑地震激励的随机性,基于Clough-Penzien谱模型,推导了相邻结构随机响应的拓展状态方程,采用两种优化控制目标,分析得到了相邻隔震结构体系间连接控制装置的控制参数与结构随机响应的关系及其对控制效果的影响,并分别从地震响应时程和振动累计能量时程角度研究了相应地多自由度相邻隔震结构复合被动控制体系,在不同优化准则及不同控制方案下,结构体系的减震控制效果。研究结果表明,相邻隔震结构复合被动控制体系,可以获得较好的减震控制效果,阻尼系数在减震控制中起主要作用,但存在最优取值,并不是越大越好;采用以左、右子结构振动总能量最小为优化准则,在顶层+中间层安装控制装置的控制方案,可以有效地减小相邻结构的地震响应,得到的控制效果较好。     

某耗能减震框肢剪力墙转换结构分析

采用复合型铅粘弹性阻尼器对带转换层框肢剪力墙结构的某酒店进行了耗能减震设计,对耗能减震结构和钢支撑结构进行了对比分析,包括反应谱和局部非线性多遇地震作用和罕遇地震作用下的时程分析。结果表明,底部框架结构布置复合型铅粘弹性阻尼器后,在多遇和罕遇地震情况下层间位移能满足《建筑抗震设计规范》要求,并且采用耗能减震结构能优化整体结构,不会对转换层上部结构产生不利的影响,能更好地改善结构的抗震性能。     

刚性桩复合地基地震响应的拟静力简化计算方法

刚性桩复合地基在建筑结构中已得到广泛应用,但对其地震作用下的动力响应研究还不够充分。采用上海市《建筑抗震设计规程》8度罕遇地震的规范标准反应谱拟合生成人工地震波,以软土场地中的某10层钢筋混凝土框架结构为对象,将土体自由场变形和上部结构惯性力对桩身内力的影响分开考虑,提出一种拟静力简化计算方法,分析刚性桩复合地基的地震响应。并建立刚性桩复合地基-筏板-上部结构体系整体有限元模型,利用数值方法进行动力时程分析,验证了拟静力方法的合理性。进一步分别计算了自由场位移对桩基的作用、刚性桩复合地基-筏板-上部结构体系整体地震响应以及桩筏基础地震响应。结果表明:拟静力方法与数值方法较为吻合,复合地基的桩身内力和筏板底加速度峰值均小于桩筏基础,褥垫层对地震波具有滤过作用,显著减轻了地震的作用效应。     

宿迁市教育大厦消能减震设计研究

对地处地震高烈度区的宿迁市教育大厦进行了消能减震设计。采用消能减震支撑框架结构体系代替传统的框架—抗震墙结构体系,进行了结构非线性时程分析,对消能装置的数量及布置进行了优化。分析结果表明,消能减震支撑框架结构在多遇地震作用下的层间位移能满足《建筑抗震设计规范》要求,在罕遇地震作用下具有更高的安全储备,表现出良好的抗震性能,可为高烈度区类似结构的设计提供借鉴。     

非对称超高层连体结构多点输入地震响应研究

非对称超高层连体结构属于一种复杂的高层结构,受力特点与单塔结构差别较大,当连体跨度较大时,两个塔楼底部地震动的差异性可能导致不同的地震响应结果。本文通过对"东方之门"这一超高层连体结构进行不同工况下的多点地震输入分析,研究了地震波的相位差、振动方向以及传播方向对连体结构地震响应的影响。结论表明,非对称连体结构在多点输入下的地震响应和两塔楼本身刚度差异大小、地震波相位差以及传播方向密切相关,通过合理调整塔楼刚度,可以有效减小结构在实际地震中的扭转效应。     

混凝土重力坝的地震响应分析

进行了某混凝土重力坝在多遇和罕遇地震荷载作用下的二维地震响应分析,比较了水位条件对大坝动力响应的影响。研究表明,在多遇地震荷载作用下,大坝应力应变关系基本处于弹性状态,在罕遇地震荷载作用下,最大地震动位移出现在大坝上侧,随着水位的上升,大坝上侧的位移和坝踵处动应力逐渐减小,而下游坝面折坡处的动应力基本不变。     

超高层建筑风致振动的现场实测与数值模拟

通过采用现场实测和数值模拟方法,对某超高层建筑的风致振动特性进行研究。在建筑物顶部布置结构振动监测系统,对常态风和台风作用下的结构振动响应进行测量,分析加速度、位移幅值和结构的自振特性。以实测动力特性为基础,建立超高层建筑的等效气动弹性模型,采用平均风剖面入口,联合ANSYS和CFX对风场与建筑物的流固耦合振动进行数值模拟,得到不同顶部风速下,建筑物不同高度处的位移时程、气动力系数时程及频谱分析、尾流旋涡脱落模式。将数值模拟结果与现有的实测结果进行对比分析,表明该方法模拟流固耦合振动是可行的,并可为实际超高层建筑的抗风设计和舒适性计算提供技术依据。     

静力分析方法在消能减震结构分析中的应用

由于受制于计算机软件中的消能减震单元,目前尚无较适用的静力分析方法应用于消能减震结构在多遇地震和罕遇地震下的结构分析。有关含消能减震部件的结构分析,主要以动力时程分析和动力弹塑性时程分析方法为主,因此具有较大的难度和需要很长的分析时间。为了推进结构消能减震于工程项目上的应用,缩短分析上的繁杂程序,依据《建筑抗震设计规范》,配合美国FEMA 356规范,提出一套消能减震结构在多遇地震下的等值线性分析方法和在罕遇地震下的静力非线性推覆分析方法(pushover analysis)。此方法适用于位移型阻尼器和防屈曲支撑,不但可使消能减震结构的结构分析简化,并可避免计算机软件的限制,且在不含阻尼器元素的计算机软件上,依然可做消能减震结构在多遇地震和罕遇地震下的结构分析。并介绍了此分析方法在消能减震结构的结构分析中的应用,以证明其可行性。     

罕遇地震下敦煌莫高窟彩塑动力响应数值模拟

为研究敦煌莫高窟彩塑在罕遇地震下的安全性,根据其内部构造特点,建立从内到外分别由木骨架层、芦苇捆扎层、粗泥层和细泥层组成的精细化有限元模型,通过扫频试验与模态分析结果对比,验证了所建有限元模型能够反应实际彩塑的动力特性。在此基础上计算罕遇地震作用下的响应,通过对模型的应力、位移和加速度结果的分析,评价彩塑的抗震性能。结果表明:罕遇地震下,站姿模型最大应力仍在允许范围内,但已接近破坏值,最容易出现破坏的地方主要为模型腿部以下区域、脖子周围以及上半身与手臂相连接部分;坐姿模型最大应力则发生在后背下部与底座连接的地方,其值超出了粗泥层和细泥层的抗拉强度,出现拉伸破坏。二者最大响应点均位于模型顶部,坐姿的响应小于站姿。可以认为在罕遇地震作用下彩塑存在损坏风险。     

超高层筒体结构模型振动台地震破坏试验研究

就超高层筒体结构在地震作用下的动力特性与破坏反应,对一个1∶50比例的超高层建筑模型进行了微震、强震直至破坏的振动台试验研究。试验通过满足弹性—重力相似条件得到原型结构在地震作用下的动力特性与破坏现象。结果表明,结构的横向二阶以上及竖向一阶振动对结构的抗震安全性起控制作用,结构中上部是抗震薄弱部位,试验破坏现象与实际震害吻合。     

含TLCD超高层建筑风振舒适度及其生命周期费用分析

超高层建筑高、柔,风振影响显著,工程中常需配置调频液柱阻尼器(TLCD)以减小振动、提高人居舒适度。针对在强风作用下TLCD可能存在液体运动撞击容器顶部或液面低于水平段等失效问题,进行了TLCD的抗风可靠度研究,并对超高层建筑结构-TLCD体系的生命周期费用进行了分析。采用虚拟激励法计算结构-TLCD体系在脉动风荷载下的随机风振响应;基于随机振动的首次超越破坏准则,研究结构-TLCD体系在不同风速风载下的动力可靠度;分析结构-TLCD体系的风振舒适度生命周期费用;依据生命周期费用最小原则进行投资决策,是基于性能的抗风设计的具体应用。利用该方法对某超高层建筑结构的TLCD安装与否进行了投资决策,说明了本方法的适用性。     

大位移摩擦摆底层和多层隔震韧性结构∗

结构韧性性能的目标是:在极罕遇地震作用时,结构不发生严重破坏;地震结束后,结构能恢复预期状态,进而恢复建筑功能的性能。隔震是结构韧性性能实现的关键技术,然而,结构隔震层位移响应超过允许值,引发隔震支座破坏,导致其减震性能失效,成为制约该类结构韧性性能目标实现的关键难题。本文以结构层作为滑动面,主体结构整体或滑动面之间的部分结构作为滑动块,提出大位移摩擦摆新型结构,通过隔震层的不同位置以及数量,构建大位移摩擦摆底层和多层隔震结构体系。分别建立该统一分析模型、探明其减震机理证明其良好减震性能,实现韧性结构性能目标。开展结构设计实现和韧性性能评价研究,表明了主体结构、非结构构件和大位移摩擦摆(支座和结构层)等地震损伤和恢复能力。本研究为韧性结构发展提供了结构新体系和关键发展方向。     

高阻尼混凝土梁板结构动力特性分析

通过提高混凝土材料的阻尼比,有效地改善混凝土结构自身的阻尼性能,从材料的角度出发实现结构高阻尼化已成为一种新的结构振动控制方法。根据结构动力学原理,分析了提高系统阻尼比在结构发生共振时,对降低结构振动响应的有效性;利用有限元软件AN SY S模拟了普通混凝土结构、局部高阻尼混凝土结构以及整体高阻尼混凝土结构的动力响应,主要包括模态分析和谐响应分析,并对3种不同组成材料的结构响应结果进行比较。有限元分析表明:高阻尼混凝土结构的动力特性较普通混凝土结构有了显著的改善,而且当高阻尼混凝土仅用于结构的柱中时,其改善效果与整体结构都与使用高阻尼混凝土的效果比较接近。这对研究结构局部高阻尼化,降低结构在地震等动荷载作用下的响应有参考价值。     

钢管混凝土输电塔地震易损性研究∗

钢管混凝土输电塔,由于混凝土与钢管相互作用,使得其地震易损性不同于普通混凝土输电塔。为了对比研究它们的地震易损性区别,从材料本构模型层面考虑钢管与核心混凝土的相互作用,使用有限元软件OpenSees 建立钢管混凝土输电塔模型,对其进行结构响应分析,并进一步采用增量动力分析方法绘制输电塔在多遇、设防、罕遇和极罕遇地震时的易损性曲线,定量分析出地震的第一周期谱加速度对于钢管混凝土输电塔失效概率的影响,同时与普通输电塔的地震易损性结果进行对比。研究结果表明：钢管混凝土输电塔在多遇、设防、罕遇、极罕遇地震作用下均不易发生严重破坏和倒塌,钢管混凝土输电塔出现倒塌时的Sa ( T1 ) 多位于1.0g~1.4g;随着地震强度的增加,钢管混凝土输电塔相较于普通输电塔的抗震性能更差。     

基于纤维模型的空间网架支承体系的优化设计与分析

近年来,民用航空制造业的快速发展给大柱距空间网架结构带来新的契机。本文针对某大柱距厂房设计了无柱间支撑、柱间钢支撑和柱间消能支撑3种抗侧力结构体系。在此基础上,分别建立了3种结构体系的三维整体有限元模型,通过优化设计确立了钢支撑和消能支撑的具体设计参数,并进行了多遇地震作用下的弹性时程对比分析。最后,建立了结构弹塑性分析的纤维模型,对3种结构体系进行了罕遇地震作用下的弹塑性时程分析,对比研究了3种结构体系在大震作用下的倒塌机制。结果表明:采用纤维模型能够较为精确地进行结构的弹塑性时程分析;相较于不加柱间支撑结构体系,柱间钢支撑和柱间消能支撑结构体系在多遇地震作用下的结构层间位移分别衰减约32%和64%,在罕遇地震作用下的结构层间位移分别衰减约12%和46%,且均具有更好的倒塌机制。本文可供大柱距空间结构的设计与分析参考和借鉴。     

桁架转换钢筋混凝土井塔结构抗震性能研究∗

为研究罕遇地震作用下桁架托柱转换井塔结构的抗震性能 ,通过 PERFORM?3D、PKPM/SATWE 与 SAP2000 软件,分别对某桁架托柱转换井塔结构进行了静力弹塑性分析和动力弹塑性分析。研究抽柱前后井塔结构整体和关键构件的地震响应及破坏机制,得到了在罕遇地震作用下的层间位移角、基底剪力、顶点位移、结构塑性状态过程及转换桁架、框架柱、框架梁、连梁、剪力墙的内力变化和破坏状况。结果表明：在罕遇地震作用下,抽柱后结构的动力特性变化不大,整体结构具有良好的抗震性能,最大层间位移角为 4.4‰,符合规范要求;抽柱后基底剪力较抽柱前有所减小,但结构刚度满足要求;抽柱后的顶点位移略大于抽柱前的顶点位移,证明抽柱后结构的整体刚度略有降低;抽柱后屈服机制与原结构基本相同;转换桁架弯曲、剪切、轴向变形均未进入基本运行状态,具有良好的抗震性能;框架梁和连梁截面的抗剪承载力利用率变化不大,框架柱截面最大抗剪承载力利用率均值有所增大但依然满足要求,不会产生剪切脆性破坏,而剪力墙整体的抗剪承载力利用率均值偏低,建议适当减小剪力墙厚度,提高截面抗剪承载力利用率;抽柱后剪力墙扶壁柱的纤维应变发生了变化,最大拉应变小于钢筋的极限拉应变,钢筋未发生严重屈服,最大压应变小于混凝土的极限压应变。