底部两层框架--抗震墙砌体房屋墙柱梁楼梯整体体系抗震防线的研究（可编辑）

底部两层框架抗震墙砌体房屋墙柱梁楼梯整体体系抗震防线的研究山东建筑大学硕士学位论文山东建筑大学硕士学位论文题目底部两层框架一抗震墙砌体房屋墙柱梁楼梯整体体系抗震防线研究计学位论文页表格个插图幅评阅人指导教师学院院长学位论文完成日期兰山东建筑大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明所提交的学位论文是本人在导师的指导下,独立进行研究取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,论文中不合其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。学位论文作者签名学位论文使用授权声明本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定,即山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其它手段保存、汇编学位论文。保密论文在解密后遵守此声明。学位论文作者签名签名导师期山东建筑大学硕士学位论文摘要底部框架一抗震墙砌体房屋因其能够满足底部大空间的需要,且施工简单,建设成本相对较低,目前在中小城市的临街建筑、村镇建筑中得到广泛应用。相应于这种结构存在的现实,此类房屋的抗震仍然是一个重要的问题。按照建筑抗震设计规范规定,房屋建筑基本的抗震设防目标是小震不坏、中震可修、大震不倒,其中楼梯作为地震时逃生的通道具有特别的重要性,若楼梯首先发生破坏就可能困住建筑物内的人员,对其生命安全造成巨大的威胁,所以楼梯应该成为安全岛。为了实现抗震设防目标并且使楼梯成为安全岛,就必须全面分析整个结构体系,了解抗震防线以及可能出现的薄弱环节,从而采取合理适当的措施。对于底部框架一抗震墙砌体房屋,以前结构分析的普遍做法,是墙柱梁竖向承载体系与楼梯体系分别考虑,认定楼梯几乎不参与承担水平地震作用。对于这种房屋的抗震研究,也重点是着眼于头重脚轻上刚下柔的竖向不规则,没有考虑墙柱梁楼梯整个体系的抗震防线情况,这样的分析研究显然是有缺陷的。本文将基于墙柱梁楼梯整体结构分析进行抗震设防的研究。本文将以底部为两层的框架抗震墙结构、上部为四层砌体结构房屋为研究对象,利用静力弹塑性分析确定构件塑性铰的发展,研究底部框架一抗震墙砌体房屋的抗震防线的分布。具体的说,是运用有限元分析软件,按照楼梯构件参与结构共同工作的实际情况,对有楼梯与无楼梯情况进行比较,分析整个结构体系。基于静力弹塑性分析的结论提出应对思路,在墙柱梁中布置适当的抗震防线,采用楼梯半滑支的措施,避免楼梯构件参与承担水平地震作用,调控整个结构体系中的力系,使得楼梯构件中只能出现很小的内力,保证成为安全岛。关键词底部框架一抗震墙砌体房屋,楼梯,塑性铰,抗震防线山东建筑大学硕士学位论文陀,”,”,山东建筑大学硕士学位论文,、,山东建筑大学硕士学位论文目录摘要第章绪论引言底部框架一抗震墙砌体房屋的结构组成、主要特点底部框架一抗震墙砌体房屋结构的研究成果底部框架抗震墙砌体房屋的试验研究底部框架抗震墙砌体房屋的理论研究底部框架抗震墙砌体房屋设计中存在的问题本文主要的研究方法及研究内容第章地震作用及结构抗震防线概述地震作用确定地震作用的方法结构抗震防线多道防线的概念多道抗震防线的必要性多道抗震防线选择的原则各个结构形式的多道防线设置框架结构剪力墙结构框架一剪力墙结构砌体结构本章小结第章有限元分析方法有限元分析的含义山东建筑大学硕士学位论文有限元方法的基本原理有限元软件中的对象和单元材料与截面分析的实现方法分析方法的基本概念分析的基本思路分析本章小结第章模型的建立绘制结构模型计算参数取值材料的计算参数荷载参数取值验证模型的可行性建立模型整体模型的建立楼梯模型的建立本章小结第章计算结果分析、模态比较分析一模型抗震防线的分析模型抗震防线的分析模型抗震防线的分析楼梯构件的屈服楼梯间塑性铰的出现楼梯梁柱的破坏楼梯间梯段板的破坏底部框架抗震墙砌体房屋的多道抗震防线的控制建议本章小结山东建筑大学硕士学位论文第章结论主要结论存在的问题参考文献致谢攻读硕士学位期间发表论文发表及科研情况山东建筑大学硕士学位论文第章绪论引言底部两层框架一抗震墙砌体房屋指的是在结构的底部两层采用具有抗震墙的框架结构,而上部则采用刚度较大的砌体结构。在我国现阶段经济发展、生活环境和建筑市场的需求下,底部两层框架一抗震墙砌体房屋因其底部具有大的空间而受到欢迎。这类房屋底层空间根据该地区不同的需要可以用于设置不同的用途,如可以建设成游戏厅、网吧、超市、会所大厅以及其他一些娱乐设施等,二层则可以用于办公室、休息室等,上部砌体结构房间一般用于人们的日常生活居住。建筑抗震设计规范对此类结构房屋层数、总高度以及在各个地震烈度下的抗震墙材料的选用、抗震墙厚度、抗震墙最大间距都有明确的规定。底部两层框架一抗震墙砌体房屋与底层框架抗震墙砌体房屋相比,具有更大的空间房屋面积,在使用上具有了更大的选择性,将此类房屋的价值发挥到最大。另外,在实际工程的施工过程中发现,当采用这种复合结构房屋时,除了施工方便以外,在造价上也比纯框架结构更加节约。事实表明,相同使用功能条件下可节约造价/为砌体层的层数,底部两层一框架抗震墙砌体房屋这种良好的优越性在很大的程度上满足了人们日常的生活需要,因此在我国一些城市,尤其繁华地段的临街建筑和居民小区的带商店的建筑中使用较多,在经济欠发达的中西部地区尤为适用。底部框架一抗震墙砌体房屋的结构组成、主要特点许多文献中将底部为一层框架抗震墙砌体房屋称为底层一框架抗震墙砌体房屋将底部为两层框架的抗震墙砌体房屋则称为底部框架一抗震墙砌体房屋建筑抗震设计规范则统称为底部框架一抗震墙砌体房屋。下文中将底部两层框架一抗震墙砌体房屋统一简称为底部框架一抗震墙砌体房屋。底部框架一抗震墙砌体房屋主要指结构底部两层采用钢筋混凝土框架抗震墙而上部采用砌体结构的房屋也有少数底部两层采用钢筋混凝土框架一“约束砌体”抗震墙而上部采用砌体结构的房屋。这类房屋底部大空间而上面各层采用较山东建筑大学硕士学位论文多纵横墙,从抗震概念设计原则上看,是“头重脚轻”,“上刚下柔”的结构体系其上部为砌体,刚度大底部为框架,刚度小在地震作用下,由于材料属性的不同,竖向刚度会发生急剧的变化,抗震性能差。从耗能的观削】看,地震产生的巨大能量有相当大的一部分作用到了底部框架上,而上部砌体只吸收了很小的一部分能量,这就导致了底部的变形超出了了规范规定的最大允许变形,从而导致结构底部严重破坏,引起倒塌。起初,在结构底层布置这种新型的柔性结构形式曾一度风靡全球,并且有大部分学者利用若干的实例对这种底层柔性结构进行了试验,通过这些试验,人们发现其可以作为一种很好的抗震结构来使用,六十年代初,许多国家如美国、墨西哥、意大利、南斯拉夫和原苏联等为了提高结构的抗震能力将底层设置成柔性结构在其国内频繁使用。但是,柔性底层结构并不像它在观念上设想的那样,在历次的地震中都受到了严重的破坏。年南斯拉夫的斯科普里城地震,其中一些底层多为商店,无隔墙,上层为住宅,隔墙较多的楼房,在发生地震后上面各层基本没有震害,而底部则发生了严重的倾斜。年月日,日本新渴县中越地区发生里氏级强地震,这次地震对该地区造成了严重的经济损失和人员伤亡,柔弱底层的建筑物底层空旷,抗侧力构件少,在次强烈地震的作用下这些建筑物发生倾斜甚至倒塌,虽然建筑物各层的层高相差不大,但是由于底层抵抗地震作用的能力差,使其变形过于集中,吸收了更多的地震能量,对这类建筑造成的破坏更加严重。年月日我国四川省汶川县发生了里氏级特大地震,此次地震震级级,震源左右,烈度高达度,这一次千年不遇的特大地震再一次向人类展示了自然灾害的强大破坏力。调查统计,汶川大地震造成多万间房屋倒塌,多万间房屋损坏,北川县城、汶川县映秀镇等部分城镇夷为平地,对当地人民财产造成了特大的损失,直接经济损失超过万亿】。建筑工程的震灾调查发现在这次地震中,城镇居民临街建筑为获得上部结构用于居住,底部结构拥有较大的商业空间的结构形式,这些地区通常建造有大量的底部框架一抗震墙砌体房屋。贾强,孙建平【】等对北川新县城急震区的多栋底部框架一抗震墙房屋结构震害情况进行了统计。统计结果表明,基本完好和局部损坏的房屋只占严重损坏的占到总数的上部砌体坍塌部分占的数量只有,由此表明上部砖混结构只承受了地震的一部分能量,大部分都有底部框山东建筑大学硕士学位论文架所承担,可见其抗震性能较差。这种“上刚下柔”的结构之所以底部柔弱层容易发生破坏,主要原因是底部柔弱层的抗侧移刚度相对上部而言较小,当发生较大地震时,房屋侧移主要集中在底部结构,当底部的侧移超过了它所能承受的允许值时,就会发生倾斜甚至倒塌。从耗能的观点看,底部承受了地震所产生的大部分能量而上部承受的能量较少,以至底部承受的能量超过了它所能承受能量的允许值,从而导致结构破坏,引起倒塌。基于底部框架抗震墙砌体结构特殊的结构形式,通过进行试验及理论研究对其抗震能力提供有效的措施以及抗震结构设计提出合理化的建议具有重要的实际意义和实用价值。底部框架一抗震墙砌体房屋结构的研究成果随着社会经济发展、生活环境和建筑效应的需求,底部框架一抗震墙砌体房屋作为一种特殊的结构形式频繁出现在我国一些经济欠发达的地区。近几十年来,尤其是在汶川地震以后,国内学者的研究如雨后春笋般涌现出来。这些研究主要围绕这种结构在地震作用下的地震性能、震害特点、动力反应和破坏机理、侧向刚度比、薄弱楼层的控制等方面展开,内容非常丰富。底部框架抗震墙砌体房屋的试验研究底部框架一抗震墙砌体房屋结构是一种“上刚下柔”的竖向不规则结构,这种结构形式决定了它具有较差的抗震能力,因此为了提高这种结构的抗震能力,改善抗震性能,国内许多学者都为此做出了大量的研究。底部框架一抗震墙结构是有多种材料组成的,力学性能复杂,如果用计算的手段来研究该结构的抗震性能将会变得异常困难,因此目前为了更好的研究这种结构的抗震能力一般采用模拟地震振动台模型试验【】模型试验从很大程度上真实的反应了这种“上刚下柔”结构在地震作用下的力学性能。郑山锁,戴俊】曾通过一/模型的振动台试验,对多个试验段的模型进行了振型和阻尼比的分析。在整个试验过程中,模型经历了弹性、开裂、弹塑形工作阶段,甚至最后破坏。试验显示,模型的破坏是从二层柱子根部出现塑性铰开始,然后是一层柱根也出现了塑性铰,最后二层、一层梁端弯曲裂缝相继山东建筑大学硕士学位论文贯通,不难看出一层,尤其是二层是这种结构的薄弱层。高小旺,王菁,肖伟,孟钢,王金妹【】依据总层数为层的底部框架抗震墙砖房/比例模型抗震试验和对这类房屋的弹性、弹塑性分析研究的成果,概要的阐述了这类砖房的受力和变形特点、结构体系以及提高其整体抗震能力的要求。模型试验研究结果表明,底部框架一抗震墙砌体房屋的抗震能力是由底部框架结构和薄弱楼层的匹配程度决定的,因此为搞好这类房屋的抗震设计,应重视结构体系,提高过渡层的抗震能力同时要避免房屋出现薄弱楼层。为了更加深入探讨底部框架一抗震墙房屋结构的抗震性能,国内学者梁兴文,王庆霖等】进行了一系列模拟试验,其中比较典型的就是其对一底部框架一抗震墙上部四层砖房进行的模型试验,通过这种与实际情况符合程度很高的试验,分析这种结构在地震作用下的振型曲线来确定这种结构是否能够满足规范要求的结构动力特性以及合理的破坏形式。试验结果表明,底部两层钢筋混凝土框架抗震墙对整个结构的地震反应有着很大的影响,而且在设计合理的条件下会对上部砖混结构起到很好的减震作用。另外,通过试验会发现,过渡层承受了最大的地震剪力和倾覆力矩,受力最不利,属于此模型的薄弱层,在过渡层墙体中部增设构造柱是提高其水平承载力和侧向刚度的有效措施。此外,在国内通过试验研究对这类结构提出合理的构造措施和有效的控制结构的侧向刚度也取得了很大的进展,如薛建阳,赵鸿铁【】利用振动台试验,实际的反应了底部框架抗震墙砌体房屋的动力反应以及破坏形态,间接的证明了规范中对于此类结构采取合理的构造措施的必要性以及在一定的控制范围内取用刚度比的重要性。试验表明,地震作用下底部框架一抗震墙砌体结构的薄弱层是最容易遭受破坏的部位,为了减轻这种薄弱部位的破坏,采取一定的构造措施是必须的,我们可以通过增加构造柱的密集程度,或者在薄弱环节增大受力钢筋的配筋率,结果表明这些措施对于增强这类结构的抗争能力是行之有效的。同时,为使结构最终形成延性较好的破坏机构,应限制钢筋混凝土框架和剪力墙的配筋率和抗弯刚度,并控制第二层和第三层的抗侧移刚度比。通过对这些振动试验的研究,建筑抗震设计规范】对于底部框架一抗震墙砌体房屋的结构布置提出了以下一些要求上部的砌体墙体与底部的框架梁或抗震墙,除楼梯间附近的个别墙段外均应对齐。房屋的底部,山东建筑大学硕士学位论文应沿纵横两方向设置一定数量的抗震墙,并应均匀对称布置。度且总层数不超过四层的底层框架抗震墙砌体房屋,应允许采用嵌砌于框架之间的约束普通砖砌体或小砌块砌体的砌体抗震墙,但应计入砌体墙对框架的附加轴力和附加剪力并进行底层的抗震验算,且同一方向不应同时采用钢筋混凝土抗震墙和约束砌体抗震墙其余情况,度时应采用钢筋混凝土抗震墙,、度时应采用钢筋混凝土抗震墙或配筋小砌块砌体抗震墙。底部两层框架一抗震墙砌体房屋纵横两个方向,底层与底部第二层侧向刚度应该接近,第三层计入构造柱影响的侧向刚度与底部第二层侧向刚度的比值,、度时不应大于,度时不应大于,且均不应小于。底部框架一抗震墙砌体房屋的抗震墙应设置条形基础、筏形基础等整体性好的基础。规范中对底部框架一抗震墙侧向刚度比做了严格的要求,可见侧向刚度对底部框架一抗震墙抗震性能的影响是非常重要的。底部框架一抗震墙砌体房屋的理论研究层出不穷的匕/模型试验使得人们对于底部框架一抗震墙从构件到整体都有了更加全面的认识,在这些试验的基础上专家们又做出了一系列的理论分析,通过这些理论的分析使得对于提高底部框架一抗震墙砌体房屋的抗震性能有了坚定的理论基础。为了研究底部框架一抗震墙砌体房屋在地震区的适用性,薛建阳,赵鸿铁【等在其比例模型试验的基础上,结合工程实例,分析了底部框架一抗震墙砌体房屋在水平地震作用下的力学性能,计算了六种不同侧向刚度比条件下结构的弹塑性动力反应。分析结果表明随着刚度比的增加,底部两层变形增大,上部各层则略有减少,反应了刚度比对结构的影响。近年来,随着计算分析软件的发展,有限元分析软件模拟底部框架一抗震墙砌体房屋进行的分析也越来越多。如李燕【运用有限元结构分析软件,以底部框架抗震墙、上部为四层砖混结构房屋为研究对象,研究了底部两层在静力和地震作用下的内力分布规律,对提高同类结构的抗震性能具有现实的知道意义。李琪,顾荣科基于位移的底部框架一抗震墙房屋抗震能力分析对于建筑抗震规范中提出的底部框架砖房结构的侧向刚度比的条件,分析了不同侧向刚度比条件下此类结构的抗震能力,按照建筑抗震规范“小震不坏、中震可修、山东建筑大学硕士学位论文大震不倒”的三水准抗震性能,基于性能/位移抗震设计思想,考虑了不同的侧向刚度比,并通过动力时程分析,研究了底部框架砖房在不同地震作用下的变形能力和弹塑形反应。分析结果表明结构各层的楼层位移在不同地震强度作用下随着侧向刚度比的增大而增大,而且不同侧向刚度比的情况下,结构层间位移最大反应基本在第二层,随着地震加速度的增大,最大层问位移会出现在第一层,且随着刚度比增大,底部变形剧增。底部框架抗震墙砌体房屋设计中存在的问题比例模型试验研究及其理论分析主要围绕底部框架抗震墙对结构抗震能力进行的研究,通过结构抗震墙的布置、抗侧移刚度比的变化、构件的弹性及弹塑形分析,找出此类结构的薄弱层以及受力特点,并且提出了一系列的措施以及侧移刚度比的控制范围对结构抗震性能的影响都提供了有利的证据。可以这样说,这样研究分析主要是着眼于上部砌体结构与底部框架一抗震墙结构之间差异带来的影响。分析底部框架一抗震墙砌体房屋在地震作用下的反应,除了考虑底部抗震墙等影响外还有另外一个不可忽略的因素楼梯对整体结构的影响徐珂【在“对汶川地震中几种震害的认识”一文中发现底部框架一抗震墙砌体房屋在本次地震中遭到了严重的破坏,其中楼梯破坏表现出了较大的破坏性。由此可见楼梯作为地震作用下逃生和紧急避难的“安全岛”,若楼梯首先发生破坏将会给建筑物内人员的生命安全造成巨大的威胁。针对在地震中建筑物楼梯间受到的破坏都较为严重这个问题,建筑抗震规范条中专门提出,利用计算机进行结构抗震分析,计算模型的建立、必要的简化计算与处理,应符合结构的实际工作情况,计算中应考虑楼梯构件的影响。另外在条提出了砌体结构楼梯问的加强措施。虽然砌体结构属于“刚性结构”,受水平地震作用后结构变形较小,楼梯部位对于整个结构的刚度影响不明显,但是通过规范采取的措施,应该能够对楼梯的破坏起到很好的作用。然而对于底部框架一抗震墙砌体房屋楼梯如何处理,如何考虑楼梯参与结构整体对结构刚度的影响有待讨论。山东建筑大学硕士学位论文本文主要的研究方法及研究内容本文借助汶川地震建筑结构震害资料,从基于性能的抗震设计思想出发,参考众多学者对于底部框架一抗震墙砌体房屋的震害研究、楼梯一框架一墙协同工作规律的研究、多道抗震防线的设置原则,把这种整体结构在地震作用下抗震防线的研究作为本文的重点。即在规范规定的楼梯参与结构整体分析的前提下,更加注重结构构件内力的变化以及结构出现什么样的屈服机制才是合理的。本文利用分析方法,并应用有限元分析软件建立三种有限元模型进行分析比较,确定结构整体的抗震防线,着重研究结构楼梯体系的屈服机制,塑性铰的变化以及楼梯间的破坏形式,判断楼梯成为薄弱环节还是成为一道抗震防线。以底部框架一抗震墙砌体房屋为研究对象,采用逐步施加静力荷载的方法,研究结构整体体系在加载过程中的受力变化,结构的屈服机制,依据多道抗震防线的原则,确定底部框架一抗震墙砌体房屋的多道抗震防线。运用有限元软件,选取适当的单元,建立了三种模型底部无抗震墙无楼梯的框架模型、底部无楼梯的框架一抗震墙模型、底部框架一抗震墙一楼梯模型,对建立的三种分析模型进行相互比较,总结出三种模型不同之处以及采用时楼梯对结构的整体影响。解析各个模型的分析结果,观察各个模型中塑性铰出现的顺序和位置,各个模型中构件的破坏形态,确定抗震防线设置的合理性重点分析楼梯间构件的塑性铰。基于分析结果,为保证楼梯不会成为结构的薄弱环节而是成为安全岛,达到合理地布置抗震防线的目标,提出楼梯半滑支抗震措施的合理化建议。山东建筑大学硕士学位论文第章地震作用及结构抗震防线概述在建筑抗震设计中,所指的地震是由于地壳构造运动使深部岩石的应变超过允许值,岩层发生断裂、错动而引起的地面振动。强烈的构造地震影响面广,破坏性大,发生频率高。约占破坏性地震总量的【】以上。因此,在建筑抗震设计中,仅限于讨论在构造地震作用下建筑的设防问题。地震设防目标,指的是地震作用下,不同地震烈度的地震影响对建筑物的结构构件等的使用要求建筑抗震设计规范根据我国的实际情况,提出了符合我国现有国情的三种抗震设防标准【】,既能够使建筑物在地震时获得足够的安全,满足使用要求,又能够合理的使用建设投资。第一水准地震区的地震烈度要比本地区的建筑物抗震设防烈度低,此时处于地震区的建筑物主体结构并没有受到损坏或者是受到损坏但不需要修理就可以继续使用,这时结构处于弹性状态下的受力阶段,房屋还处在正常使用状态,此即为“小震不坏”。第二水准地震区的地震烈度与与本地区建筑物的地震设防烈度相近,此时处于地震区的结构受到轻微损坏但需要修理才能继续投入使用,这时结构己进入非弹性工作阶段,要求这时的结构体系损坏或非弹性变形应控制在可修复的范围内,此即为“中震可修”。第三水准地震区的地震烈度要比本地区建筑物的地震设防烈度高,此时地震区的建筑物受到的损坏不至于发生倒塌或对周围生命造成危机,这时结构将出现较大的非弹性变形,但要求变形控制在房屋免于倒塌的允许范围内。这条规定也表明我国的抗震设计要同时达到多层次要求,此即为“大震不倒”。地震一旦发生都会对周围的地区造成影响,因此了解地震的振动对于建筑物的抗震设计会有很大的帮助,现有地震理论,表征地震动特性及其破坏作用的要素有三峰值加速度山东建筑大学硕士学位论文频谱组成持续时间下图表征三种烈度含义及含义概率密产鼍。度函数,仆/钮/烈度“供罕遇瓣众值嘉罕遇基本烈度烈度烈度一生小霞女譬图三种烈度及含义由此可见,影响建筑物破坏程度的不仅是地面运动最大加速度这个单一的物理量,还与地震动的波形以及震动持续时间密切相关。地震作用地震释放的能量,以地震波的形式向四周扩散,地震波到达地面后引起地面运动,使地面原来处于静止的建筑物受到动力作用而产生强迫振动。在振动过程中作用在结构上的惯性力就是地震荷载。这样,地震荷载可以理解为一种能反映地震影响的等效荷载。实际上,地震荷载是由于地面运动引起结构的动态作用,不应该称为“地震荷载”,应称为“地震作用”【】。在地震作用效应和其他荷载效应的基本组合超出结构构件的承载力,或在地震作用下结构的侧移超过允许值时,建筑物就遭到破坏,以至倒塌。因此,在建筑物抗震设计中,确定地震作用是一个十分重要的问题。确定地震作用的方法地震作用对于建筑物的抗震设计具有重大的影响,因此如何确定地震作用也成为建筑抗震设计中的一个重要环节。山东建筑大学硕士学位论文现在世界上许多国家和地区的抗震设计规范中广泛采用的方法是反应谱理论,其中又以加速度反应谱应用最多。加速度反应谱指的是单质点弹性体系在一定的地面运动作用下,最大反应加速度一般用相对值与体系自振周期的变化曲线。当结构体系的自振周期己知时,根据已有的计算公式并结合反应谱曲线,就能够很快速的确定结构体系的反应加速度,进而求出地震作用。应用反应谱理论不仅可以解决单质点体系的地震反映计算问题,对于多质点体系的地震反映还可以通过振型分解法来进行确定。在实际工程中,存在很多特别不规则建筑,此时常常采用时程分析法来计算结构的地震反映。时程分析法是用数值积分求解运动微分方程的一种方法,在数学上称为逐步积分法。这种方法由初始状态开始逐步几分直至地震终止,求出结构在地震作用下从静止到振动、直至振动终止整个过程的地震反应位移、速度、加速度。结构抗震防线汶川地震震害分析中可以看出,地震时建筑物的破坏是导致人民生命财产损失的主要因素,因此建筑物设计时,通过加强抗震设防减少建筑物破坏成为研究的重中之重。同时,建筑抗震设计规范第条也提出“抗震结构体系益有多道抗震防线益有合理的刚度和承载力分布,避免因局部削弱或突变形成薄弱部位,产生过大的应力集中或塑性变形集中结构在两个主轴方向的动力特性宜相近。”多道防线的概念建筑物在地震作用下一些构件首先进入屈服状态,这些构件由于进入屈服状态早,在屈服进展的过程中消耗了地震大量的能量,这是主要的耗能构件。在屈服进展过程中,这些构件由于还约束于其他仍处于弹性状态的构件,因此这一阶段可以成为约束屈服阶段【。图示意了结构的屈服历程,表明了内力与位移的关系。在地震初期。结构处于弹性工作状态自点开始即有构件将进入弹塑形状态之后,不断的有构件进入屈服状态,结构的内力逐渐增大,位移增大的更快,直至整个结构进入无约束的全塑性屈服阶段,最后倒塌破坏。山东建筑大学硕士学位论文图屈服历程、内力与位移关系士驾一奶“这种结构正是现在建筑抗震设计中所希望得到的,当结构在点开始出现屈服后,结构并不是立刻丧失其承载力发生破坏,而是将要重新分配内力建立另外一种新的平衡,我们把此时点称为结构抗震的第一道防线,点之后的新的受力结构称为抗震的第二道、第三道第道防线。多道抗震防线的必要性多道抗震防线对与提高结构的抗震性能有着不可忽视的意义,一次大的地震,某场地产生的地震动,能造成建筑物破坏的强震持续时间工程持时,一般为几秒到几十秒,这样长时间的振动,相当于对建筑物施加多次冲击荷载,建筑物在长时间的冲击荷载作用下必然会逐渐破坏直至倒塌。可以想象,只设置一道抗震防线的建筑物如何能够抵挡得住这一波接着一波的冲击荷载,倒塌是必然的。而且当建筑物因为其自振周期与地震动的卓越周期相近而发生了共振时,此时就更加的加快了结构倒塌的过程。然而如果建筑物采用的是多道防线的多重抗侧力体系,第一道防线的抗侧力构件在强烈地震作用下遭到破坏时,后备的第二道甚至第三道第四道防线接替第一道防线工作,抵挡后续的地震动的冲击,就会使保证建筑物最低限度的安全,免于倒塌。当遇到建筑物的自振周期与地震动卓越周期相近的情况时,这样的多道防线更加的表现出其优越性。当第一道抗侧力防线因共振而破坏,后续的几道防线接替第一道防线,将会使的建筑物的自振周期出现较大的幅度变化,从而与地震动的卓越周期错开,缓解共振作用,减轻地震对建筑物的破坏作用。山东建筑大学硕士学位论文多道抗震防线选择的原则抗震等级影响需要设置的抗震防线数量,对于抗震等级较低的结构可以主要考虑第一道防线,而对抗震等级较高的结构则应该考虑更多道防线,这样才能更好的使后续几道防线发挥出最大的作用。地震时能量是巨大的,为了更好的提高结构的耗能能力,对于主要的耗能构件应该在具有很好的延性的同时还应该具有适当的刚度。对于同一楼层内宜使主要的耗能构件屈服后,其他的抗侧力构件应该仍处于弹性阶段,使得“有约束屈服阶段”尽量延长,以保证结构的延性和抗倒塌能力。对于第一道防线的选择不能使其对结构的竖向承载力有较大的影响。因为建筑物的倒塌主要是由于其丧失了对重力荷载的承受能力。因此第一道防线应该选择轴向应力较小的构件作为主要的耗能构件。对于结构的自振周期,不同的防线宜有不同的区别,以减少其共振频率。如果设置的第一道防线避开了场地的卓越周期,结构就不会发生共振,建筑物就不会发生倒塌。如果未能避开,则后续的几道防线也应该能够避开,从而减轻地震的破坏。应建立一系列分布的屈服区,有意识的在一些构件中采取特殊的构造措施,使构件的塑性变形集中在潜在的屈服区内,使得结构具有更加有利的塑性重分布能力。这样处在屈服区的构件就会率先屈服,在随后的持续地震中会消耗掉地震动所产生的大部分能量,从而起到保护其他重要构件的作用。各个结构形式的多道防线设置框架结构框架结构是由梁和柱以刚接或者铰接构成承重体系的结构,即由梁和柱组成框架共同抵抗适用过程中出现的水平荷载和竖向荷载。框架结构是一种非常单一的结构体系,因此如果要设置抗震防线只能是针对框架结构的柱和梁。我们可以通过控制柱和梁的相对强度实现两道防线第一道防线是框架梁,从只有一部分梁端出现塑性铰到全部梁端都出现塑性铰。第二道防线是框架柱,从梁端大量的塑性铰出现转动开始到柱根开始出现塑性铰。山东建筑大学硕士学位论文剪力墙结构剪力墙结构是用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱,能承担各类荷载引起的内力,并能有效控制结构的水平力。当剪力墙结构中联肢剪力墙连梁设计合理刚度和强度适当时,剪力墙结构可以设置两道抗震防线连梁为第一道防线,连粱的梁端在地震作用下会率先出现屈服,从而形成一系列的屈服区,使结构吸收和耗掉地震大量的能量。墙肢为第二道防线,在连梁屈服以后,各个肢墙之间的联系减弱,仍作为独立的实体剪力墙协同工作。框架一剪力墙结构框架一剪力墙结构是由框架和剪力墙结构两种不同的抗侧力结构组成的新的受力形式。这种结构是一种双重抗侧力体系,因为剪力墙的抗侧刚度要比框架结构大的多,所以在地震作用下,楼层地震的总剪力大部分有剪力墙来承担,而框架柱只承担了其中一很小部分,因此第一道防线可以设置为剪力墙,地震作用下层问发生位移,剪力墙逐渐开裂而框架仍然保持弹性状态,剪力墙的抗侧移刚度逐渐降低,一部分地震能量会转移到框架柱上,从而使框架柱称为第二道防线。砌体结构砌体结构是用砖砌体、石砌体或砌块砌体建造的结构。由于砌体的抗压强度较高而抗拉强度很低,因此,砌体结构构件主要承受轴心或小偏心压力,而很少受拉或受弯。通常需要设置构造柱和圈梁,在结构受力初期,墙体会出现较小的裂缝,构造柱和圈梁也不会出现开裂。随着墙体裂缝的不断变大,变形也不断变大构造柱和圈梁的约束作用就会表现出来,墙体会消耗掉大部分地震能量,因此可以认为是墙体为第一道防线,而构造柱和圈梁作为砌体结构的第二道防线出现。本章小结本章简述了地震作用特点,地震作用的确定方法重点介绍了结构的设防标准以及多道防线详细的阐述了不同结构的多道防线设置。山东建筑大学硕士学位论文第章有限元分析方法有限元分析的含义对于很多的实际工程问题,要想求得其解析解是非常困难的,为此,加在年提出了一种新的方法一有限单元法,利用这种方法解决实际工程变得不再困难。有限单元法是一种求解微分方程的近似方法,它将连续性的问题转化为离散型的问题,将微分方程转化为代数方程求解,实际上就是一种变相的等效替代方法。有限元方法的基本原理有限元的核心思想是结构的离散化,就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体,在求解实际结构的未知量时,通过对各个离散的单元体进行分析,用这些离散体的分析结果来反应实际结构的情况,从而解决实际结构中那些繁琐而有麻烦的实际问题。首先是将连续体离散为一组有限个按一定方式连结在一起的单元组合体,假定成为各个单元之间仅仅是以节点连接,把节点的位移作为基本的未知量,以单元的节点位移来确定单元的位移函数,建立应变分量与位移分量之间的几何关系、应力与应变之间的本构关系。通过建立单元节点力与节点位移之间的关系,从而确定单元刚度矩阵,求得连续体节点位移,再通过各个单元上的节点位移值即可得到各种待求物理量,如应力、应变。有限元软件中的对象和单元的建立模型的过程实际上就是一个反复的增加对象的过程,这些对象要尽量与实际构件一致。在运行分析时,软件会自动的将定义的各个对象的属性转化为离散单元的计算数据,此时建立的计算模型实际上就是将结构属性简化而进行的一种分析。点对象点对象一般是在绘制线对象、面对象或者实体对象时自动的生成,它是组成其他单元的基本对象。点对象用来制定约束、弹簧、连接属性、质量、荷载、温度等当然也可以独立出现来模拟单个质点。点对象包括节点对山东建筑大学硕士学位论文象和接地支座对象。线对象线对象一般用来模拟梁、柱、支撑等框架构件。线对象可以指定截面类型、端部位移、刚度修正、集中荷载、线荷载等属性。本文模型中的框架梁柱就是要用框架单元来模拟。面对象主要分为板壳对象和二维实体对象主要用来模拟结构的板、墙、坡面等。面对象可以被指定截面类型、均布荷载、应变荷载、温度荷载、风荷载等属性。材料与截面中储存了较为丰富的材料类型与单元类型。、材料定义材料定义是指定义赋予单位的材料属性,是计算构件的基本属性数据。用户可以赋予多个不同类型的单元,并且这些不同的属性可以用于多种不同的计算,应用非常灵活。同时,也可以定义各向正交异性、各向同性以及单轴应力的材料。对材料的属性进行数据定义,包括材料的名称、材料的类型、材料的对称类型,各种材料对应其唯一的弹性模量、重量密度、质量密度、泊松比、热膨胀系数,根据各种材料弹性模量与剪切模量不同的关系,确定材料的剪切模量,根据实际情况还可以定义材料的非线性数据、材料阻尼属性、基于时间的属性以及热属性。、截面定义在系统中,对于截面的定义囊括了几乎实际工程中出现的所有的截面形式。而对于那行不标准构件截面的定义也完全可以通过截面设计器进行自行定义。其中各个构件的指标数据完全是根据国家现行规范进行设定的。在截面的属性定义中包含了对框架截面、钢束截面、索截面、实际截面的定义,在选择合适的截面的同时,要勾选与截面相对应的材料类型,这样才能更好的反应实际情况。分析的实现方法分析方法的基本概念分析方法实际上就是对结构施加静力荷载而进行的一种非线性分山东建筑大学硕士学位论文析方法,该方法在使用过程中表现出了它的优势,首先,其采用的反应谱分析方法【区别与一直一来的弹塑性时称分析另外,其采用了很直观的分析原理和简单宜行的操作方法,这要比动力的分析方法简单的多。方法的早期形成其实是“能力谱方法”【,基于地震中各个构件承担能量不同的分布原理,将实际工程中出现的多自由度体系的结构进行转化,用最简单的单自由度体系进行替代。“能力谱方法”主要包括两方面的内容计算结构的能力曲线静力弹塑性分析、计算结构的目标位移和结果的评价。前者的主要内容就是逐步施加静力荷载作用下对于结构模型的弹塑性分析后者的主要内容就是采用什么合理的方法来反应结构在水平地震作用下的实际情况。目前主要有采用能力谱方法,推荐的目标位移法,以及前两种方法改进版的等效线性化和位移修正法,当进行计算分析时,我们可以根据自己的需要选择合适的方法。在我国,应用最为广泛的是能离谱方法。本文主要利用方法来确定结构和构件的非线性变形,即构件塑性铰出现位置和数序的确定。分析的基本思路、分析方法实际上就是逐步加载的方法,在结构力学中就经常用逐步加载的方法来分析结构的极限状态。下面用一个简单的例子来描述如下图连续梁各跨相同,极限弯矩,当从零逐步增加时,各处弯矩同比例增加,当/时,弯矩分布当增至/时,弯矩分布山东建筑大学硕士学位论文当继续增加时,各处弯矩同比例增加,直到增至下图状态,此时处出现塑性铰。当达到/时当从/继续逐步增加时,处弯矩保持,点以左各截面弯矩仍然变化,直到点弯矩达到极限弯矩,并出现塑性铰此时整个结构也成为机构而溃倒。结构极限状态的弯矩此时/、方法中的地震作用分布模式根据荷载分布形式与实际情况相符合的原则,荷载逐渐从加载,分析地震作用下塑性铰变化。下面用一个简单的框架来说明一,山东建筑大学硕士学位论文相当于度强的地震时,相当于度及更小的地震时,整个框架全部弹性受力出现第一批塑性铰,相当于度强的地震蚓达到度强的地震时出现第批塑性铰出现第二批塑性铰一继续加载,直至推倒。弄清整个受载屈服过程通过整个的推覆过程弄清楚了整个框架的能力大小。其实,结构中都应该允许某些屈服结构,一是屈服机构应该出现在适当的位置,而就是屈服部位应该能够出现较大的塑性变形。分析分析主要分为两个部分,一个是建立侧向荷载作用下的结构荷载位移曲线图一个是对结构抗震能力的评估。、建立侧向荷载作用下的结构荷载位移曲线确定侧向荷载作用下的结构荷载位移曲线分为以下几个步骤首先是要确定结构的计算模型,然后利用定义的实际数据根据有关公式计算并验算结构构件承受压力、轴力、剪力、弯矩等的能力,根据构件的应力应变曲线确定其弹性情况山东建筑大学硕士学位论文以及构件在达到性能点后其开裂情况和屈服机制【,然后利用各层的地震剪力检验结构在逐步加载情况下侧向刚度和层间位移角的变化,最后确定结构的承载能力曲线。分析的结果是结构的荷载位移曲线,它表示的是侧向总剪力与顶点侧向位移的关系。下图表征的是理想的荷载位移曲线侧向总剪力顶点侧化移图结构荷载一位移曲线从图中可以清楚的看出,在侧向力作用下,结构的变形经历了几个阶段从点开始,随着侧向地震剪力的增大,位移随着增大,当撤去施加的力后,这种变形会弹性恢复,这一阶段属于弹性的变形阶段从点到点,随着地震剪力的增大,位移也随着增大,但是当撤去施加的荷载后,位移也会恢复但是并不能恢复到开始的点,这一阶段属于非线性的变形阶段从点开始直到点,结构地震剪力减小,说明其承受地震剪力的能力有了很大的变化,位移仍在变大直至结构破坏,这一阶段属于失稳阶段。从图可以看出荷载位移曲线的本质就是表征结构的顶点位移随着地震侧向总剪力的变化情况,同时,这条曲线也很好的说明了规范规定的抗震设防标准。、结构抗震能力的评估目前存在很多结构抗震能力的评估方法【冽,下面列出的是经常采用的几种方法根据结构承载力曲线上的地震剪力确定结构层问的位移角,并检验是否满山东建筑大学硕士学位论文足规范规定的容许层间位移角。用层承载力曲线相应的恢复力模型,按照时称分析校核非线性层间变形是否符合规范限制的要求。利用需求谱与能离谱曲线得到的交汇点的位移值,同各个目标的位移进行比较分析,从而检验是否满足规范规定的弹性变形验算的要求。通过分析得到的荷载位移曲线并不能立即将曲线上的某一点定为目标位移,并与规范中的容许变形值进行比较。通常需要进行一系列的转化处理,最常用的两种处理方法是能力谱法和目标位移法。本章小结本章简要的介绍了现代应用有限元对结构进行分析的原理以及利用有限元分析软件中如何利用点线面对象来确定点线面单元来确定结构的分析模型重点介绍中利用分析通过逐步加载的方式来分析构