（工程力学专业论文）短肢墙建筑结构抗震性能分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，基础隔震技术以其显著的减震效果较大规模地应用于医院、银行、消防、 图书馆等重要建筑中，目前在住宅建筑中正展开应用。同时，异形柱和短肢墙结构体系 也以其优越的使用功能而大量应用于现代建筑设计中，本文将隔震技术应用于带异形柱 或短肢墙的住宅体系中，在多遇地震作用下计算结构的水平向减震系数，采用能力谱方 法来评估该结构体系在罕遇地震作用下的抗震佳能，并与时程分析所得结果加以比较分 析，采用隔震技术有效降低了该结构体系的地震作用，能够有效保障上部结构的安全。 同时，采用能力谱方法结合投资一效益准则，对带异形柱或短肢墙的住宅隔震建筑进行 优化设计，对该类结构体系的抗震性能与经济性进行有效评估。 近断层地震动具有独特的上盘效应、破裂方向性效应和速度脉冲特征，本文分组考 察具有这些运动特征的地震动对短肢剪力墙高层建筑结构地震反应的影响。选择台湾集 集近断层地震动记录作为地震动输入，利用a n s y s 软件对一幢短肢剪力墙高层结构建 立空间杆件一壳元组合有限元模型，考虑基础隔震和基础固定两种分析模型，进行弹塑 性时程分析。计算结果表明，对这两种模型，近断层地震动上盘效应和破裂方向性效应 明显增大短肢剪力墙结构体系的地震反应；基础隔震时脉冲型地震动效应的影响明显大 于基础固定时的影响，脉冲型地震动效应与结构周期长短密切相关。对长周期结构脉冲 效应显著。 关键词：能力谱方法；投资效益准则；近断层地震动；短肢剪力墙结构i 弹塑性时程 分析 短肢墙建筑结构抗震性能分析 a b s tr a c t b a s e - i s o l a t e dt e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e do n al a r g es c a l ei n s o m ei m p o r t a n tb u i l d i n g s s u c h 私h o s p i r a l , b a n k , f i r e h o u s e ，n b r a r y ，a n di ti s 堍u s e di nm a n yr e s i d e n t i a ls t r u c t u r ed u e t oi t sr e m a r k a b l ea s e i s m a t i cp 晌眦观c er c c e n t i y m e a n w h i l e ，s t r u c t u r ew i t hs p e c i a l s h a p e d c o h u n n sa n ds h o r t - l i m bw a l l si sa p p l i e di ns t l u c t u r ed e s i g nb e c a u s eo fs u p e r i o rf u n c t i o n 1 k s t h e s i sc m p l o y e sb a s e - i s o l a t e dt e c h n o l o g yi ns t r u c t u r e v i t l is p e c i a l - s h a p e dc o l u m n sa n d s h o r t - l i m bw a l l s c o m p u t e sh o r i z o n t a ls e i s mr e d u c t i o nc o e m c i e n to ft h es t r u c t u r eu n d e rt h e f r e q u e n te a r t h q u a k e ，t h e ne v a l u a t e st h ea s e i s m a t i cp e r f o r m a n c eo ft h es t r u c t u r eu n d e rt h e s c a r e 宅e a r t h q u a k eb yc a p a c i t ys p e c t r u mm e t h o da n dt h er e s u l ti sc o m p a r e dw i t ht h er e s u l t o b t a i n e db yt i m e h i s t o r ym e t h o d w ec a ng e tt h ec o n c l u s i o nt h a tb a s e - i s o l a t e dt e c h n o l o g yc a n r e d u c et h ee a r t h q u a k ea c t i o no ft h es t r u c t u r ee f f e c t i v e l ya n di 囝i l s u r et h es a f e t yo ft h eu p p e r s t r u c t u r e a tl a s t , c a p a c i t ys p e e l r u mm e t h o di su s e di no p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h eh m u c b l r e w i t hs p e c i a l s h a p e de o l u a m sa n ds h o r t - l i m bw a l l sa c c o r d i n gt ot h ec o s t e f f e c t i v e n e s sc r i t e r i o n t oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c ea n de c o n o m yf o rt h i st y p eo fs t r u c t u r e n e a rf a u l tg r o u n dm o t i o n sh a v e 也ed i s t i n c tc h a r a c t e r i s t i c so fh a n g i n gw a l le f f e c t , n l p t t l r ed i r e c t i v i t ye f f e c t 。a n dv e l o c i t yp u l s e - l i k em o d o n 耶 p r e s e n tp a p e ra 国m 妇st h e i n f l u e n c eo ft h e s em o r i o nc h a r a c t e r i s t i c s0 nt h es e i s m i cr e s p o n s e so fh i g h - f i s eb u i l d i n g s t r b c t u i 七w i t hs h o r t - # e rw a l l sr e s p e c t i v e l y n e a t - f a u l tg r o u n dm o t i o nr e c o r d i n g sf r o mt h e s a m ee a r t h q u a k ee v e n t , i e c h i - c h i ，t a i w a ne a r t h q u a k e ( s e p ，2 1 ，1 9 9 9 ) ，a r es e l e c t e d 邪i n p u t 1 1 砖a n s y ss o f t w a r ei su s e dt oe s t a b l i s ha3 dm e m b e r - s h e l lc o m b i n e df i n i t ee l e m e n tm o d e l f o ro n eh i g h - r i s es t r u c t u r ew i t hs h o r t - p i e rw a l l s c o n s i d e r i n gb a s e - i s o l a t e da n db a s e - f i x e d a n a l y s em o d e l s t h ee l a s t o - p l a s t i ct i m eh i s t o r ya n a l y s i so fs t r u e t t l r ei si m p l e m e n t e d n 圮 n u m e r i c a lr e s u l t si u u s w a t e1 h a lt h eh a n g i n gw a l la n dd i r e c t i v i t ye f f e c t sa m p l i f yt h es e i s m i c r e s p o n s e so fs t r u c t u r a ls y s t e mw i t hs h o r t - p i e rw a r sr e m a r k a b l y a n dt h ee f f e c to fp u l s e - l i k e g r o u n dm o t i o n sa m p l i f yt h es e i s m i cr e s p o n s e so fb a s e - i s o l a t e ds t n l c t u r a lm u c hm o r et h a n b a s e - f i x e ds i n l c ：t l 玳m o r e o v e r , t h ee f f e c to f p u l s e - l i k eg r o u n dm o t i o n sd e p e n d sh i g h l y0 1 1t h e s t r u c t u r a lp c r i o d , a n dt h ep u l s e - l i k ee f f e c to nt h el o n g - p e r i o ds t r u c t u r ei ss i g n i f i c a n t k e y w o r d s ：c a p a c i t ys p e c t r u mm e t h o d ；p e r f o r m a n c eb a s e dd e s i g n ；n e a r - f a u l tg r o u n d m o t i o n s ；s h o r t - p i e rw a l ls t r u c t u r e ；e l a s t o - p l a s t i et i m eh i s t o r ya n a i ) ，s m 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：曼生圣墨日期： 幻 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可呆用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名： 主犯 嘻州 ! 巫年上月旦日 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 1 1 选题背景及意义 地震是危害人类生命财产安全最严重的突发式自然灾害之一。随着人类社会的发展 和人们生活的高度城市化，地震对人们生命和生活设施及工业生产体系所带来的损坏也 越来越严重。最近几次大地震，即美国n o r t h r i d g e 地震( 1 9 9 4 ) 、日本k o b e 地震( 1 9 9 5 ) 、 我国台湾集集地震( 1 9 9 9 ) 、土耳其k o c a e l i 地震( 1 9 9 9 ) ，伊朗b a m 地震( 2 0 0 3 ) 等 的发生地点距离城市市区很近，给人类社会带来重大财产损失和人员伤亡，引起工程界 对地震工程各方面进行重新认识和思考。这几次地震的最显著特点之一是地震发生地点 距离城市市区很近，而且在这些地震中均记录到了以高能脉冲、较长周期为特征的近场 地震动记录，这就致使城区地震烈度很高。因此，近年来，各国都加强了对近场地震的 设防力度，如美国u b c 9 7 引入了近场放大因子、日本1 9 9 8 年对抗震基本法规做了修改， 在设计谱的生成中更多地选取了近场记录，相对而言，我国规范对近场地震的设防有待 加强。近几年，近断层地震动的运动特征及其对工程结构的影响成为地震工程界关注的 重要问题。短肢剪力墙结构体系是最近1 0 多年来在我国迅速发展、推广应用的一种新 的高层建筑结构形式，2 0 0 2 年被首次列入高层建筑混凝土结构设计规程以明确相关 技术规定。该结构体系能较好地满足现代住宅、办公等建筑的功能需求，可以实现大开 间，灵活布置平面与房间，不露粱、不露柱棱，侧面门窗洞口大、采光通风好，而且， 还具有重量轻地震作用小、材料省和工程造价低的明显优势。但是，短肢剪力墙结构作 为高层建筑的一种新结构体系，其抗震性能相对薄弱，也无抵御大震的经验，因此，短 肢剪力墙结构抗震设计仍需加强理论和试验研究，特别是近些年来对工程结构造成严重 破坏的近断层强地震动对短肢墙结构体系的抗震性能的影响亟待深入分析。基础隔震作 为一种有效的抗震设计手段在一些大震中表现出良好的性能，已经越来越多地应用于地 震区的结构抗震设计与加固维修中。隔震结构在远震场地减震效果良好，但是近断层地 震动的明显的长周期速度和位移脉冲运动可能对隔震建筑等长周期结构的抗震性能和 设计带来不利影响，需要深入探讨。因此，将基础隔震技术应用于短肢剪力墙高层结构 中的可行性十分值得研究。 1 2 基于性能的抗震设计 目前各国抗震规范中普遍采用的。小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防水准， 被认为是目前处理地震作用不确定性的最科学合理的对策，这种设计思想在实践中已取 得巨大成功。事实上，在发达国家和地区，即使在人口高度密集的城市周边区域，由于 短肢墙建筑结构抗震性能分析 绝大多数建筑物按现行的抗震规范设计或加固，重大地震灾害造成的人员伤亡已经明显 下降，然而这种设计思想是以保障生命安全为主要设防目标的，尽管它可以做到大震时 主体结构不倒以保障生命安全，但它可能导致中、小震下结构的正常使用功能的丧失而 引起巨大的经济损失。特别是随着经济的发展，结构物内的装修、非结构构件、信息技 术装备等的费用往往大大超过结构物的费用，这种损失会更加严重。由此可见，过去以 人身安全为目标的抗震设计已经不能满足当今社会的要求，抗震设计如何能既经济又可 靠地保证建筑结构的性能在地震作用下不至丧失甚至不受影响，这是社会经济发展和工 程实践对地震工程领域的科研人员和工程师提出的新课题，基于性能的抗震设计就是在 这种背景下产生的【嵋j 。 基于性能的抗震设计思想是2 0 世纪9 0 年代初由美国学者提出，它是使设计出的结 构在未来的地震灾害下能够维持所要求的性能水平。基于性能的结构抗震设计方法是以 结构抗震性能分析为基础的设计方法。根据建筑物的重要性和用途的不同以及业主的特 殊要求确定其性能指标，并根据不同的性能目标提出不同的抗震设防标准，使设计的建 筑物在未来的地震中具备预期的性能。所有的这些决策都需要设计者和业主的共同参 与，使结构在未来地震作用下可能遭受到的损失程度在业主和社会可以接受的范围。这 是针对具体的结构制定的，反映了结构抗震设计的“个性”。 随着基于性能的抗震设计理论的发展，建立以结构性能评价为理论基础的结构设计 体系是近年来美、日和新西兰等国家地震工程学界的研究热点。美国加州结构工程会的 放眼2 1 世纪委员会( v i s i o n2 0 0 0c o m m i t t e es e a o c ) 明确提出了基于性能的抗震设计 的理论框架，它应包括地震设防水准、结构抗震性能水准和结构抗震设计方法等三方面 的内容网。 地震设防水准是指未来可能作用场地的地震作用的大小。v i s i o n2 0 0 0c o m m i t t e e 大 会宣言称，基于性能的地震工程追求能控制建筑物经历现场发生的所有地震波谱的破坏 水准。结构性能水准是指所设计的建筑物，在可能会遇到的特定设计地震作用下所规定 的最大容许破坏，或容许的极限破坏。这里的建筑物包括整体结构、结构构件、非结构 构件、室内物件和设施以及对建筑性能有影响的场地设施等。性能目标水准是对所设计 的建筑物在每一个设计地震水平下所要求达到的性能水平。性能目标应根据建筑物的使 用、性能要求的重要性、经济考虑( 伤亡、财产损失、业务中断、震后修复) 和其它因 素( 如文化历史遗迹等) 综合因素来确定的。由于强调结构的经济性，在基于性能的抗 震设计中允许结构进入塑性状态，因此基于性能的抗震设计中结构抗震设计方法是一种 非线性弹塑性地震分析方法，f e m a 2 7 3 - - 2 7 4 推荐采用的方法为能力谱方法和位移影响 系数法【4 1 。 2 大连理工大学硕士研究生学位论文 基于性能的抗震设计代表了未来结构抗震设计的发展方向，引起了各国广泛的重 视，美、日等国都投入许多力量进行研究。在美国，由联邦紧急救援署( f e m a ) 和国 家自然科学基金委员会资助，开展了一项为期6 年的研究计划，对基于性能的结构抗震 设计在未来规范中的应用进行了多方面的研究。该项研究计划包括三个主要项目：应用 技术理事会的a t c 3 3 、加利福尼亚大学b e r k e l c y 分校地震工程研究中心的e e r c - f e m a 和加州结构工程师学会的s e a o cv i s i o n2 0 0 0 。上述项目的研究报告“现有钢筋混凝土 建筑的抗震性能评估与加固”( a t c 4 0 ) 1 5 】、“n e h r p 建筑抗震加固指南”( f e m a 2 7 3 ) 和“基于性能的地震工程”( s e a o cv i s i 2 0 0 0 ) 奠定了基于性能的抗震设计与加固 研究的基础。在日本，1 9 9 5 年开始进行了为期3 年的“建筑结构的新设计框架开发”研 究项目，并在研究报告“基于性能的建筑结构设计”中总结了研究成果。日本已于2 0 0 0 年6 月实行了新的基于性能的建筑基准法。目前，我国在基于性能的结构抗震设计方面 也积极开展了研究，国家自然科学基金“八五”重大项目“城市与工程减灾基础研究” 的有关专题就涉及到这方面的研究，国家自然科学基金“九五”重大项目“大型复杂结 构体系的关键科学问题和设计理论”的一些专题包含了这方面的部分内容，文献 2 】对这 方面的研究成果进行了总结。 1 3 短肢剪力墙和异形柱结构 1 3 1 短肢剪力墙结构特点 短肢剪力墙结构是指墙肢的长度为厚度的5 8 倍剪力墙结构，常用的有“t ”字型、 “l ”型、“十”字型、“z ”字型、折线型、“一”字型。这种结构型式的特点是： 结合建筑平面，利用间隔墙位置来布置竖向构件，基本上不与建筑使用功能发生 矛盾； 墙的数量可多可少，肢长可长可短，主要视抗侧力的需要而定，还可通过不同的 尺寸和布置来调整剐度中心的位置； 能灵活布置，可选择的方案较多，楼盖方案简单； 连接各墙的梁，随墙肢位置而设于间隔墙竖平面内，可隐蔽； 根据建筑平面的抗便g f l u 度的需要，利用中心剪力墙，形成主要的抗侧力构件，较 易满足刚度和强度要求。 对短肢剪力墙结构的设计计算，因其是剪力墙大开口而成，所以基本上与普通剪力 墙结构分析相同，可采用三维杆系薄壁柱空间分析方法或空间杆一墙组元分析方法， 前者如建研院的t b s a 、t a t ，广东省建筑设计院的广厦c a d 的s s 模块，后者如建研 院的t b s s a _ p 、s a t w e ，清华大学的t u s ，广东省建院的s s w 等。其中空间杆墙组 3 短肢墙建筑结构抗震性能分析 元分析方法计算模型更符合实际情况，精度较高。虽然三维杆系薄壁柱空间分析程序 使用较早、应用较广，但对墙肢较长的短肢剪力墙，应该用空间杆墙组元程序进行校 核f 6 j 。 1 3 2 异形柱结构特点 异形柱结构是指柱肢的截面高度与柱肢宽度的比值在2 - 4 ，相对于正方形与矩形柱 而言是异形的柱子。它包括异形柱框架和异形柱框架剪力墙，常用的有“l ”型、“t ” 型、“十”字型。这种结构的特点是： 由于截面的这种特殊性，使得墙肢平面内外两个方向刚度对比相差较大，导致各 向刚度不一致，其各向承载能力也有较大差异； 对于长柱( h h 4 ) 可以不考虑剪切变形的影响，控制轴压比较小时，受力明确， 变形能力较好。而对短柱( h h ( 4 ) ，剪切变形占有相当比例，构件变形能力下降。异 形柱通常在短柱范围，且属薄壁构件，即使发生延性的弯曲破坏，也因截面曲率m e i 或) c ( 为砼的极限压应变，) c 为截面受压区高度) 较小，使弯曲变形性能有限，延 性较差； “ 异形柱由于是多肢的，其剪切中心往往在平面范围之外，受力时要靠各柱肢交点 处核心砼协调变形和内力，这种变形协调使各柱肢内存在相当大的翘曲应力和剪应力， 而该剪应力的存在，使柱肢易先出现裂缝，也使得各肢的核心砼处于三向剪力状态，它 使得异形柱较普通截面柱变形能力低，脆性破坏明显； 异形柱不同于矩形柱，它存在着单纯翼缘柱肢受压的情况，其延性更差。由国内 外大量的试验资料和理论分析，异形柱的破坏形态为：弯曲破坏、小偏压破坏、压剪破 坏等，影响其破坏形态的因素有：荷载角、轴压比、柱净高与截面肢长比( 剪跨比) ， 配箍率以及箍筋间距s 与纵筋直径d 的比值等。由于其受力性能复杂，设计中必须通过 可靠的计算和必要的构造措施来保证其强度和延性。目前，异形柱结构设计还没有统一 的国家规范，仅有两部地方性法规，即广东省标准d b j t 1 5 1 5 9 5 和天津市标准 d b 2 9 1 6 9 8 可供参考。 1 3 3 短肢剪力墙和异形柱结构的研究和应用 目前异形柱与短肢剪力墙在我国建筑领域中应用的不是很成熟，现行的国家规范或 规程中尚未给出有关异形柱或短肢墙结构的设计准则。尽管一些省市在已有研究和应用 的基础上，颁布了有关异形柱结构设计的地方规程，但这些规程在异形柱结构体系的应 用范围、房屋总高度、层数等方面规定还不统一。对于短肢墙结构的设计理论，目前也 不很成熟，虽然新的高层建筑混凝土结构设计技术规程已有所涉及，但限制太多。 4 大连理工大学硕士研究生学位论文 对于剪力墙来说，其性能取决于两个方面，其一是组成剪力墙的墙肢的强弱，其二 是各墙肢之间联系的强弱。墙肢和连梁的强弱反映到几何尺寸上就是墙肢高厚比和连梁 的跨高比。如果墙肢高厚比较大而连梁的跨高比较小则形成强肢强梁型结构；如果墙肢 高厚比较大而连梁的跨高比较大则形成强肢弱粱型结构；如果墙肢高厚比较小而连梁的 跨高比较小则形成弱肢强梁型结构；如果墙肢高厚比较小而连梁的跨高比较大则形成弱 肢弱梁型结构。由于强肢和连粱之间关系的不同，带来了破坏机制的不同。剪力墙的破 坏机制有两种：一种是由于抗剪不足面形成强肢剪切破坏的“s ”机制；另一种是总弯 曲引起破坏的“o ”机制。异形柱是从短肢剪力墙向矩形柱过渡的一种构件，但受力状 态远比矩形柱复杂。由于多肢的存在，造成异形柱的剪力中心与截面形心不重合，同时 竖向力作用位置与截面形心也不重合，所以，异形柱在水平荷载作用下受弯、受剪、受 扭，在竖向荷载作用下为双向压弯构件，各肢将产生翘曲正应力和剪应力，使柱肢先子 普通矩形压剪构件出现裂缝，产生腹剪裂缝。 在试验方面，彭飞、程文渡( 2 0 0 6 ) 7 1 在东南大学结构试验室所做的顶部集中水平 荷载作用下短肢剪力墙拟静力试验，验证短肢剪力墙结构是属于强肢弱梁型结构，结构 破坏时是形成“o ”机制f 总体机制) 破坏，在所有连梁的塑性铰都出现后，结构并不马 上破坏，等到梁铰出现大变形，迫使墙肢底部出现塑性铰形成机动体系后结构才破坏。 李杰、肖建庄等( 2 0 0 2 ) 岬1 通过对异形柱结构的振动台试验研究及其抗震性能理论分 析，得到下述结论：异形柱结构中异形柱框桁架结构与异形柱框架结构，都具有典型 的“强柱弱梁”结构特征，因而是一类抗震性能可以得到保证的结构形式，异形柱框一 桁架结构比异形柱框架结构抗侧移能力强，对于改善结构的使用性能有利，同时框桁 架结构的地震作用和地震内力有所增大，1 0 1 5 层异形柱结构的位移反应，在异形柱框 架结构时为剪切型，在异形柱框桁架结构时为弯剪型。 在计算理论方面，王建祥、苏枋等( 2 0 0 6 ) 1 1 0 】通过对t 形短肢剪力墙静力性能有限 元仿真分析，指出增加混凝土等级时，能提高试件开裂荷载、屈服荷载和极限荷载，通 过增加轴压比，可以同时达到提高试件承载能力、变形能力和延性的目的。戴绍斌、黄 俊、肖良丽【i l 】研究在低周反复荷载作用下钢筋混凝土短肢剪力墙的整体工作性能、破坏 形态及滞回特性，表明试件的最终破坏均是由连梁失效引起的，连梁是短肢剪力墙结构 的薄弱环节。李青宁、王宁等( 2 0 0 4 ) 0 2 利用变分原理导出了t 形短肢剪力墙的空间单 元剐度矩阵，编制弹塑性时程分析程序，并输入三种不同的地震动进行了算例分析，计 算结果表明，短肢剪力墙结构抗震性能较好，适合于在地震区推广使用。胡正平、王琦 ( 2 0 0 6 ) 3 】建立了z 形截面带暗支撑短肢剪力墙的刚度计算公式，以及承载力计算的力 短肢墙建筑结构抗震性能分析 学模型与公式。李嫒萍、江宜城( 2 0 0 4 ) 1 1 4 1 比较了异形柱与矩形柱的截面特性，分析了 轴压比对承载力、刚度和延性的影响，提出了异形柱框架体系设计中轴压比的调整方法。 1 4 基础隔震技术的发展及应用 基础隔震就是在上部结构与基础之间设置某种隔震消能装置，以减少地震能量向上 部结构的传输，从而达到减小上部结构振动的目的。早在1 8 9 0 年，德国人b e c h t o l d 就 提出采用滚球作为隔震基础，并申请了美国专利。1 9 0 9 年，英国医生c a l a n t a r i e n t s 提出 了用滑石粉层将房屋与基础隔开的隔震方法，获得美国专利。2 0 世纪6 0 代叠层橡胶垫 的应用使基础隔震技术进入了实用化的时代，最早采用天然橡胶隔震垫的隔震建筑是在 南斯拉夫斯考比市的柏斯坦劳奇小学( 1 9 6 9 年) 。由于隔震技术的发展历史比较长，因 此它是目前应用最广泛，也是最成熟的一项结构控制技术【i 习。 隔麓技术在我国已经步入了实用化的阶段，我国新的抗震设计规范增加了隔震的设 计规定，为隔震技术更加广泛的应用于地震多发带的结构中提供强大的理论依据。鉴于 其优越性，国内大量学者对隔震技术展开深入研究。祁皑、范宏伟 ( 2 0 0 4 ) 1 1 6 1 对隔震结 构在各种工况下的高宽比限值进行了研究，并给出了针对不同建筑类别、不同设防烈度、 不同场地条件和不同隔震层阻尼比的高宽比限值。谢一可、叶献国( 2 0 0 6 ) 1 1 7 1 通过基础 隔震结构能量分析方法，从能量上揭示了基底隔震层对于上部结构的保护途径，验证了 基底隔震的有效性，同时指出不同的地震波对结构也有重要影响，强震持续时间长，卓 越周期与结构自振周期接近，均会产生较大的地震反应。王建强、管品武( 2 0 0 5 ) u 摹】 对铅芯叠层橡胶支座双向耦合恢复力模型进行了改进，采用基础隔震结构动力分析程序 d a b i s 对铅芯叠层橡胶支座基础隔震结构进行了单向及双向地震反应对比分析，结果表 明，在单向和双向地震作用下，基础隔震结构的加速度反应和位移反应较为接近，但在 双向地震作用下，支座的最大位移明显大于单向地震作用时的支座最大位移，因而在确 定支座最大位移时应考虑双向地震作用的影响。朱玉华、吕西林( 2 0 0 3 ) 【1 9 】考虑铅芯橡 胶隔震支座水平力位移滞回曲线的实际特性，对隔震支座的滞回特性和粘滞特性进行 分析，提出了组合分析模型，铅芯橡胶隔震支座滞回模型采用双线性库仑阻尼器模型及 速度粘滞阻尼模型。魏德敏、康锦霞( 2 0 0 3 ) 跚以目前国内最高的基础隔震高层框架剪 力墙建筑结构为例，通过其地震响应的三维有限元计算分析比较了隔震结构及其相应的 非隔震结构的动力特性，给出了结构在多遇地震和罕遇地震情况下的最大层间剪力、层 间位移及加速度反应等，得出了一些有意义的结论。李中锡、周锡元1 2 1 1 给出了规则隔震 房屋及规则隔震桥梁的自振特性和地震反应分析方法。周云、安宇、梁兴文等 2 2 1 研究了 基础隔震结构基于位移的设计方法以及能力谱方法。杨迪雄、李刚、程耿东等以台湾集 6 大连理工大学硕士研究生学位论文 集地震实际脉冲型近震记录为地震动输入，以上部结构最大层间位移和构件体积最小化 为目标，应用含潜在约束策略的序列二次规划算法，对安装铅芯橡胶隔震支座的钢筋混 凝土框架隔震结构进行体化优化设计( 7 3 - 2 5 1 。 综上所述，基础隔震技术相关的理论研究已经比较完善，在实际现代建筑设计中也 得到广泛应用，并以优良的性能得到土木工程界的认可。 1 5 近断层地震动运动特性及相关研究 由于近场地震动具有巨大的潜在破坏性，因此无论对地震学家还是结构工程学家来 讲，近场地震动的特征以及如何在工程结构的设计中考虑其影响都是非常重要的研究课 题。在1 9 9 9 年前，近场记录的缺乏限制了近场地震动的研究，而1 9 9 9 年的台湾集集地 震却记录了大量的近断层强震记录，在集集地震的主震中，记录到了7 0 条断层距小于 2 0 公里的三分量记录，而且在其一系列的余震中也记录了大量的近场地震动，这将大大 推动我们对近场强地震动特征的研究，另外，集集地震的断层滑动经过大城市和重工业 区，为我们研究断层对工程结构的破坏作用提供了天然的试验场。2 0 0 1 年台湾学者给出 了集集地震中4 4 1 个台站的地震动记录。集集地震动记录公开发表后，各国地震学者纷 纷针对近场地震动的特征及近场地震动对工程结构的破坏作用进行了大量的研究一台湾 地震对地震工程研究的最大贡献在于提供了大批的强震记录，尤其是近断层记录，这些 宝贵资料有望推动我们对于地震动及相关问题的认识，集集地震记录的获得，使得系统 研究近场地震动的特征成为可能 2 6 1 。 7 近断层地震动独特的上盘效应、破裂方向性效应和速度脉冲运动特征及其对工程结 构的严重影响引起地震工程界的密切关注田0 6 】。s o m e r v i l l e 等( 1 9 9 7 ) | 2 】的研究表明，由 于近断层地震动通常包含强烈的动态长周期脉冲和永久地面位移或滑冲( f l i n g s t e p ) ，其 运动特征与远场地震动明显不同。这种差别来自于近断层地震动的破裂方向性效应，当 破裂前缘向着观测台站所在的场地传播，并且断层破裂速度接近或通常略小于近震源的 岩石剪切波速，以及断层滑动的方向也是指向该场地时，就会发生破裂方向性效应。破 裂方向性影响地震动的持时和长周期能量成分，并且致使断层法向分量f 即破裂传播方 向) 的地震动时程幅值大于断层平行方向分量的幅值。断层的上盘效应是由上盘场地的 逆冲引起的，它表现为位于上盘场地的地震动时程幅值系统性地大于下盘场地的相同断 层距的地震动时程幅值，上盘强地震的衰减相对于下盘要平缓，而且强地震分布的区域 要大，使位于上盘场地上的结构破坏严重，集集地震的震害现象证实了这一点1 2 8 - 3 0 。 近断层地震动的长周期脉冲运动主要是由破裂方向性引起的。这些大幅值的长周期 速度和位移脉冲、大的峰值加速度( p a t ) ，在断层的法向分量表现尤其明显，这种运动 7 短肢墙建筑结构抗震性能分析 在地震的初始就给结构输入很高的能量，从而引起结构严重损伤【j ”6 j 。h a l l 等( 1 9 9 5 ) ”l j 指出，脉冲型近断层地震动作用下结构抗震需求可能远远超过高层建筑、隔震建筑等柔 性结构的抗震能力。m a l h o l r a ( 1 9 9 9 ) 1 3 2 1 分析了近断层脉冲型地震动的三联弹性反应谱特 征，表明具有高粥v p g a 之比的地震动在反应谱上具有宽的加速度敏感段，这种现象 将增大高层建筑的基底剪力、层问变形和延性需求。l i a o 等( 2 0 0 1 ) 脚1 讨论了影响钢筋混 凝土框架结构动力反应的一些近断层地震动参数，如p g v p g a 、谱速度、输入能易， 指出随着这三个参数增大，结构最大层间位移角也随之增大。m a v r o e i d i s 等( 2 0 0 4 ) 1 3 4 1 利 用他们以前提出的模拟脉冲型近断层地震动的数学模型研究单自由度体系的弹性、非弹 性地震响应，并且指出速度脉冲周期是近断层地震动的一个重要参数。 相对来说，关于近断层地震动的上盘效应和方向性效应对工程结构的影响分析很少 研究。s o m e r v i l l e 等【2 7 】通过加速度反应谱研究表明，法向分量的反应谱值在周期长于0 6 s 后大于平行分量的谱值，并且修改了平均水平反应谱以及断层法向分量和平行分量反应 谱的比值。b r a y 等( 2 0 0 4 ) 跚依据s o m e r v i l l e 2 ；q 描述的地震动记录台站与震源、破裂方向 之间几何关系和在周期3 s 处地震动法向分量与平行分量谱加速度r d i 之比是否大于l 这两个条件识别具有向前方向性的近断层地震动记录，这些记录的法向分量含有简单的 速度脉冲，然后提出了这些近断层地震动的p g v 和脉冲周期的衰减规律和经验公式。 近年来，国内学者对近断层地震动的特性也展开了较为全面的研究，王国权、周锡 元( 2 0 0 1 ) 3 1 1 以台湾集集地震的3 0 组近断层加速度时程为样本，研究其周期和幅值特 性，指出p g a 随断层距增加有减小的趋势而特征时刻、持时有增加趋势。冯启民、邵 广彪( 2 0 0 4 ) 究了近断层p g v 、p g d 的衰减规律，分析了震级、震源深度和场地条件 等对其衰减的影响，其中震源深度对水平p g d 的衰减有着不可忽略的影响。通过与利 用中远场数据得到研究结果对比，分析了其中的差异，近断层模型得到的p g v 和p g d 总体上小于采用中远场数据的拟合结果。王东升、冯启民等( 2 0 0 3 ) 研究了近断层地震 动作用下钢筋混凝土桥墩的抗震性能，指出可以采用峰值速度p g v 和峰值加速度p g a 之比作为近断层地震动强度指标【3 ”9 】。王京哲、朱唏( 2 0 0 3 ) 研究了近场地震速度脉冲 下的反应谱加速度敏感区。指出近场地震下变宽的加速度敏感区会使结构趋于刚性反 应，近场脉冲型地震激励下结构的反应力、位移和延性要求都会较一般地震记录激励下 的大 4 0 l 。张晓志、谢礼立等( 2 0 0 5 ) 1 4 1 l 概述了近断层强地面运动影响场显式有限元数值 模拟方法的主要环节，重点讨论了如何建立有限断层震源运动学模型及相关问题。俞言 祥、高孟潭( 2 0 0 1 ) 【4 2 l 用回归分析法对台湾集集地震的加速度峰值数据进行分析，得出 了这次地震的水平与垂直向的加速度峰值衰减关系。指出位于断层上盘和下盘上的加速 度峰值与从衰减关系所得到的结果相比存在不同的系统偏差，断层上盘地表的加速度峰 毫 大连理工大学硕士研究生学位论文 值较高，而下盘地表的加速度峰值较低，加速度峰值的分布相对于断层呈现明显的不对 称性，上盘衰减较慢而下盘衰减较快。杨迪雄等( 2 0 0 5 ) | 3 6 指出脉冲型地震动显著扩大了 隔震结构的地震反应，严重影响隔震结构的抗震安全。他们的研究都未进一步讨论方向 性效应、上盘效应和脉冲运动对实际工程结构的影响，这些运动特征对短肢剪力墙这类 新型结构的抗震性能影响如何，需要深入探讨和评估。 1 6 论文的主要内容0 本文围绕厦门市建设与管理局项目“带异形柱或短肢墙的住宅建筑隔震体系优化设 计”而展开研究，将能力谱方法和基于性能的抗震设计思想应用于工程项目中，对带异 形柱或短肢墙的结构体系展开较为全面的研究讨论，本文主要工作如下： 第一章简要介绍本文的研究背景以及隔震技术和短肢剪力墙的理论研究和工程应 用概况。 第二章主要介绍本文所用到的求解地震响应的方法。在对a n s y s 软件二次开发的 基础上实现这些方法，较为详细推导了a t c - 4 0 能力谱方法和改进能力谱方法的实现过 程，列出各种方法的流程。 第三章着重于方法应用，结合多个算例，对带异形柱或短肢墙的隔震结构抗震性能 给予评估，采用能力谱方法结合投资一效益准则对带异形柱和短肢墙的住宅隔震建筑进 行优化设计。 第四章结合近断层地震动的运动特征，对一个带异形柱和短肢墙的住宅结构，分别 建立基础隔震和基础固定的不同模型，进行弹塑性时程分析，研究运动特征对此类结构 的地震反应的影响。 9 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 结构抗震验算方法与基于a n s y s 软件的二次开发 2 1 引言 结构的地震作用计算以及抗震验算是建筑抗震设计的重要内容，是确定所设计的结 构满足最低抗震设防要求的关键步骤。地震作用指的是地震时由地面加速度振动在结构 上产生的惯性力，它不同于一般载荷，不仅与外来干扰作用的大小及随时间变化规律有 关，而且还与结构的动力特性，如结构的自振频率、阻尼、屈服强度系数、延性系数以 及不同的恢复力模型有密切的关系。地震时地面运动是一个随机的过程，运动极不规则， 结构的地震反应决定于地震动与结构的动力特性。近一百年来，地震反应分析理论的发 展可分为静力理论、反应谱理论和动力理论三个阶段。静力理论起源于日本，是国际上 最早形成的抗震分析理论，在抗震领域具有划时代的意义。反应谱理论在2 0 世纪5 0 年 代得到实现，较为真实地考虑了结构的振动特点，是目前各国抗震规范中给出的一种主 要抗震分析方法。动力理论随计算机技术的普及而发展起来，直接通过动力方程求解地 震响应，更为真实地反映结构地震响应随时间变化全过程，可处理强震下结构的弹塑形 性变性。近2 0 年来，国内外广泛提出一种结构静力弹塑性分析方法( p u s h - o v e r 方法) 及以此为基础的能力谱方法，该方法能很好评估结构的弹塑性性能，已被建筑抗震规 范( g b 5 0 0 l 】- 2 0 0 1 ) 引入，用于结构抗震分析中。 2 2 振型分解反应谱法在a n s y s 中的实现 2 2 1 振型分解反应谱法 在对单自由度弹性体系和多自由度体系的地震反应认真学习的基础上，简要介绍一 下振型分鳃反应谱法的机理。该方法是在振型分解法和反应谱法的基础上发展起来的计 算多自由度体系地震作用的方法。主要思路：将多自由度体系分解成若干单自由度系统 的组合，引用单自由度体系的反应谱理论来计算各振型的地震作用。 单自由度弹性体系水平地震反应微分方程为： 瓒( f ) + 西( f ) + 幻( f ) = - f f o ( t ) ( 2 1 ) 同除以m 得到： e c t ) + 2 9 衙( f ) + m 2 x ( t ) = 磊( 力 ( 2 2 ) 式中 ；结构的阻尼比，f = _ l ； 短肢墙建筑结构抗震性能分析 结构振动圆频率，= 卢。 vm f ( f ) = 州【( f ) + 舅( f ) 】= c 莺o ) + h ( f ) ( 2 3 ) f ( 力为地震时结构质点上受到的惯性力，阻尼力c j c ( t ) 远远小于弹性恢复力k x ( t ) ，因此 单自由度体系的地震作用简化为： f ( f ) 缸( f ) = m 0 2 x ( t ) ( 2 4 ) 由反应谱理论，单自由度体系的最大水平地震作用为： f = g ( 2 5 ) 式中口水平地震影响系数； g 重力荷载代表值。 其中a 由国家规范给出： 上升段 圈2 1 地震影响系数曲线 f i g 2 1t h e c r v eo f s e i s i m i ci n f l u e n c ec o e f f i c i e n t 图中各段曲线函数表达式为： 上升段：a = ( o 4 5 + 5 5 t 一， ( o t 0 1 ) 水平段： a = a 一， ( o 1 r ) 曲线下降段： a = ( 不丁) ”a 。，( t r 5 t ) 直线下降段：口= o 2 3 5 - 0 0 2 ( t - 5 t s ) a _ ，( 5 t t o ( 2 1 9 ) t o - - - - c 2 p 畸瓦 式中，i 是结构的特征周期，q 、c 2 、岛和c ，是取决于结构滞回性能和阻尼比的参数， 见表2 1 ，此模型形式简便且能满足精度要求。 表2 1 器阻尼比的v i n d i c 模型参数 t a b l e 2 1p a r a m e t e ro f v i n d i em o d e lw i t h5 d a m p i n gr a t i o 滞回性能 阻尼 qc 如 c r q 型质量成比例l ，o 1 0o 6 50 3 0 q 型质量成比例 0 7 51 oo 6 5 o 3 0 双线性瞬时刚度成比例 i 3 5o 9 50 7 50 2 0 双线性瞬时刚度成比例 1 1 0o 9 50 7 5o 2 0 范立础提出的置一卢关系模型如下： 1 8 大连理工大学硕士研究生学位论文 r = l + ( z 一1 x 1 一p 埘) + 器r e 讲 ( 2 2 0 ) 式中，s 0 , 1 、a 和口根据不同的场地条件取值，见