巨型框_筒组合结构抗震性能研究_16_20.pdf

巨型框－筒组合结构抗震性能研究 第2 章 巨型框－筒结构自振特性分析 2.1 引言 高层建筑结构的自振特性是其固有的极其重要的力学特性，它直接影响到水 平荷载，如风和地震这两类动力荷载作用于建筑物自身的效应，同时反过来又是 衡量一个高层建筑结构质量与刚度是否匹配，刚度是否合理的重要指标。除此之 外，准确把握结构的自振特性还能够避免与动力荷载发生共振的危险，因此，对 巨型框-筒这样的大型复杂结构进行仔细地自振特性分析具有重要意义。 求解结构的固有频率与振型特性问题，属于模态分析的范畴，模态分析用于 确定结构的自振特性(包括固有频率和振型) ，它也是其它更详细的动力学分析的 起点，例如瞬态动力学、谐响应分析、谱分析等。本章以一巨型框－筒混合结构 为研究对象进行模态分析，分析其固有频率和振型，并与普通框－筒结构进行对 比。 2.2 结构分析模型 结构采用全三维有限元分析法进行分析: 将高层建筑结构作为空间体系，梁和柱作为空间梁单元，每端 6 个自由度; 剪力墙和楼板采用板壳单元来模拟。此方法可以考虑杆件的弯曲、剪切和轴向变 形，包括楼板变形的影响。水平荷载的偏心作用所产生的建筑物扭转效应，已自 动包含在计算结果中，不需另行计算。全三维有限元分析最具有通用性、灵活性、 精确性。 巨型框架由于主框架梁、柱构件截面的多样性，分析模型的选取更应该认真 考虑，通常从以下几种模型中选取： ——空间杆系模型； ——空间杆—薄壁杆系模型； ——空间杆—墙板元模型； 进行巨型框－筒结构内力与变形计算时，梁和柱都采用空间梁单元。当楼板 和墙体采用板壳元时，则由于模型节点、单元数多，所以计算量大，要耗费的时 间较多，这在动力计算、抗震分析时变得尤为突出。高层建筑中为简化分析常引 入一些假定，其中最基本的是楼板面内刚性无穷大假定。楼板刚性无穷大假定的 引入能使结构分析大为简化，使结构的自由度大大降低，计算量急剧减小，当设 计中采取了必要措施保证了楼板平面内的刚度时，亦假定次框架楼板在其自身平 8 硕士学位论文 面内为无限刚度。 本文中，为了准确地分析结构体系的动力特性，采用全三维有限元法进行分 析。巨型框－筒结构的核心筒体采用在四节点等参单元基础上用静力凝聚原理构 造的一种板壳单元，巨型框架梁、柱采用空间梁单元。 2.3 巨型框－筒结构模态分析数值算例 2.3 .1 分析模型建立 以一栋 36 层的高层混合结构来进行模态分析。分别采用巨型框－筒、普通 框－筒两种结构形式，涉及得基本构件包括钢管混凝土柱，钢梁，型钢混凝土梁， 钢筋混凝土墙体，混凝土楼板。 本文采用 MIDAS/Gen 结构设计分析软件进行建模及处理。在高层建筑结构 方面，MIDAS/Gen 可以模拟包括高层框架结构、剪力墙结构、框架－剪力墙结构、 筒体结构(框筒、普通框－筒、成束筒等)等各种结构体系，并对其静力、动力、 线性、非线性等响应特征的分析具有强大的优势，可以很好地反映这些建筑物及 其基础在各种复杂因素作用下的力学特征。MIDAS/Gen 作为通用的结构设计分析 软件，在高层结构分析中有着方便灵活的应用。首先，可实现对结构的整体分析， 任意设定荷载工况，并可完成复杂的荷载工况组合;在整体分析的同时，也可对感 兴趣的细部加密网格，得到较为精确的细部结果。也可将工程感兴趣的细部单独 建模，形成子模型，将结构整体分析的结果引入子模型，得到更精确的计算结果。 钢梁、型钢混凝土梁、钢管混凝土柱采用 MIDAS/Gen 中的一般梁单元，由2 个节点构成，具有拉、压、剪、弯、扭的变形刚度(依据Timoshenko Beam Theory) 。 梁单元的每一个节点都具有三个方向的线性移动位移与三个方向的旋转位移，具 有 6 个自由度。 钢筋混凝土墙模型采用了程序中自带的墙单元。MIDAS/Gen 中的墙单元是一 种经过改善的 “4 节点平面应力单元”，可以很好的模拟既能承受面内荷载又能承 受面外弯矩的一般墙体。 对于楼板，因为在模型中假设了楼板平面内刚度无穷大，MIDAS/Gen 中在考 虑楼板刚度无穷大的时候无需再单独设置楼板。 2.3.1.1 方案一 (EXAM1)采用巨型框－筒混合结构: