帶轉換層的復雜高層結構力學行為與設計方法（可編輯）

華中科技大學碩士學位論文帶轉換層的復雜高層結構力學行為與設計方法20060509華中科技大學碩士學位論文摘要自世紀年代開始，特別是年代及世紀初，一批現(xiàn)代高層建筑以全新的面貌呈現(xiàn)在人們面前。業(yè)主和建筑師為在建筑藝術、建筑造型新穎以及建筑多功能、多用途等方面體現(xiàn)其創(chuàng)新，設計了眾多體型復雜和內部空問多變的高層建筑。這些建筑的結構一般都是不規(guī)則的，有些是特別不規(guī)則結構。平面不規(guī)則帶有轉換層的結構是一種非常規(guī)的結構形式，由于豎向傳力構件不連續(xù)，因此要通過轉換層將不落地構件傳來的荷載可靠地傳遞給周圍的落地構件，在強烈的地震作用的水平剪力，轉換構件受力復雜，而平面不規(guī)則使得結構產生過大的偏心而導致產生較大的扭轉效應，對于這些方面如果設計不當，將會危及結構的本文結合東龍世紀花園樓的工程設計實例，采用由中國建筑科學研究院編制的高層建筑結構空間有限元分析軟件刪，通過減少剪力墻數(shù)量、改變剪力墻位置、改變剪力墻厚度等多個結構方案的分析對比，對結構的選型和概念設計、豎向不規(guī)則高層建筑結構和平面不規(guī)則結構如何提高結構的抗震性能進行探用下層間位移角、樓層位移、樓層反應力、樓層剪力、結構振型工程的結構設計中引入了性能設計的概念，對復雜高層結構采用基于性能設計的設計思想進行了嘗試；根據(jù)分析計算結果，提出了一些有意義的設計本文的：:作旨在通過對平面不規(guī)則且?guī)Я菏睫D換層的框支剪力墻高層建筑結構的參考依據(jù)，并為今后的研究工作打下基礎。關鍵詞：復雜高層建筑不規(guī)則結構框支剪力墻轉換層性能設,一..露撐.爭，紙,,.肋瑚柚.?血?丘獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻的個人和集體，均己在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。學位論文作者簽名匆摯紉吆學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權華中科技大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。保密口，在年解密后適用本授權書。本論文屬于不保密口/請在以上方框內打“√”夯。學位論文作者簽指導教師簽名：弓劭“佟華中科技大學碩士學位論文緒論.問題的提出現(xiàn)代高層建筑向多功能、綜合用途發(fā)展，在同一豎直線上，頂部樓層布置住宅、旅館，中部樓層作為辦公用房，下部樓層作商店、餐飲、文化娛樂設施。不同用途的樓層，需要大小不同的開間，采用不同的結構形式。從建筑功能上，上部需要小丌間的軸線布置，需要較多的墻體以滿足旅館和住宅的要求；中部辦公用房則需要小的和中等大小的室內空間，可以在柱網(wǎng)中布置一定數(shù)自世紀年代開始，特別是年代及世紀初，一批現(xiàn)代高層建筑以全新的面貌呈現(xiàn)在人們面前。業(yè)主和建筑師為在建筑藝術、建筑造型新穎以及建筑多功能、多用途等方面體現(xiàn)其創(chuàng)新，設計了眾多體型復雜和內部空間多變的高層建筑。這些建筑的結構一般都是不規(guī)則的，有些是特別不規(guī)則結構，結構工程師遇到了意想不到的平面不規(guī)則帶有轉換層的結構是一種非常規(guī)的結構形式，由于豎向傳力構件不連續(xù)，因此要通過轉換層將不落地構件傳來的荷載可靠地傳遞給周烈的地震作用下，轉換層傳遞很大的水平剪力，轉換構件受力復得結構產生過大的偏心而導致產生較大的扭轉效應，對于這些方會危及結構的安全。從結構布置的概念上講，上述要求與結構的合理、自然布置趨勢正好相反。由于高層建筑結構下部樓層受力很大，上部樓層受力較小，正常布置時應該是下部剛度大、常布置與建筑功能之問就產生了矛盾。因此，如何解決平面不規(guī)則剪力墻結構底部直是建筑和結構兩方而都非常關心的問題。本文結合工程實例，通過平面不規(guī)則帶有華中科技大學碩士學位論文梁式轉換結構系統(tǒng)地論述了此類結構的設計要點，為此類結構的設計提供可參考的經.高層建筑結構均勻性高層建筑結構的均勻性主要體現(xiàn)在以下四個方面。:、高層建筑主體抗側力結構沿兩個主軸方向的剛度比較接近、變形特性比較相似。這是因為實際的高層建筑結構都是三維空間，實際的地震作用、風荷載都具有任意的方向性。高層建筑主體抗側力結構兩個主軸方向的剛度比較均勻，就是具有比較良好的抗震抗風性能。、高層建筑主體抗側力結構沿豎向斷面、構成變化比較均勻、不要突變。這里主要是指主體結構的剪切剛度不要突變。這種均勻性的高層建筑可以避免因薄弱層的破壞而引起的結構整體破壞，尤以強震區(qū)的高層建筑結構特別要注意。、高層建筑主體抗側力結構的平面布置，應注意同~主軸方向各片抗側力結構剛度盡量均勻，應避免在主體結構布置中某一、二片剛度特別大而延性較差的結構，如長窄的實體剪力墻。此時，即使結構仍滿足對稱性和剛度的要求，但當發(fā)生地震時，這個剛度巨大的抗側力構件將首先吸收極大的能量，應力特別集破壞，從而引起整體結構的破壞。同一主軸方向的各片抗側力結載作用下應力分布將比較均勻，有利于結構抗震延性的實現(xiàn)。、高層建筑主體抗側力結構的水平布置還應注意中央核心與周邊結構的剛度協(xié)調均勻，保證主體結構具有較好的抗扭剛度，以避免高層建筑物在地震作用或風荷載的作用下產生過大的扭轉變形而結構或非結構構件的破壞。這是因為實際的建筑平面變化無窮，特別是相鄰建筑的影響，即使自身對稱的建筑，風荷載仍會產生較大的扭矩，有時將超出設計控制的范圍。華中科技大學碩士學位論文轉換層的主要結構形式及特點..轉換層的主要結構形式從轉換層結構的概念來看，建筑物上部結構與地基間的基礎，廣義上講也是一種轉換層結構。因此，鋼筋混凝土梁式、板式基礎包括柱下條形基礎、交梁基礎、筏形基礎以及箱形基礎的結構形式同樣可作為建筑物上部結構之間的轉換層結構形式。轉換層的主要結構形式有：梁一柱體系、桁架體系、空腹桁架、斜桿桁架、混合桁架、墻梁體系等。它們可以是常規(guī)的平面體系，也可以是剛度很大的空間體系、格構式體系、筒體體系、箱梁體系等。、底部數(shù)層形成大空間的轉換層，底部數(shù)層要求大空間是最常見以有兩種基本做法：轉換層結構跨越底層建筑平面的兩端，把荷載傳到幾個支撐;點上，這一做法稱為橋式結構；轉換層中部支撐在~個強勁的筒體車場、展覽廳或者城市廣場的一部分。目前在工程中應用轉換層的主要結構形式式、斜桿桁架式、箱形和板式等。、外部形成大柱網(wǎng)的轉換層一般來說，筒中筒結構的內筒從上到下不需作什么變化，需要轉換的主要是外筒。由于外框筒常常布置~的柱距，為了布置大的入口，要求在底部布置水平轉換構件轉換主要通過轉換梁、轉換桁架、轉換空腹桁架、多梁轉換層、合柱以及轉換拱等進行。..結構轉換層的特點、梁式和板式轉換層眾多高層建筑采用梁式轉換層進行結構轉換，這主要是由于：和傳力途徑清楚的優(yōu)點。轉換梁具有受力性能好、工作可靠、構造簡單和構計算也相對容易。板式轉換層一方面給上部結構的布置帶來方的傳力變得不清楚，因而受力也非常復雜，結構計算相對困難，采用有限元計算時，計算結果繁雜，這給配筋設計帶來不便，而且從受力考慮，往往需墻之間配筋加強，相當于設置暗梁，增加了配筋量。一般可達.~.。這樣的厚板一方面重量很大，增大了對下部垂直構件的承載另一方面本層的混凝土用量也很大。轉換梁常用截面高度為.?.,只有在跨度較小以及承托的層數(shù)較少時才采用較小的截面高度.~.,而跨度較大且承托的層數(shù)較多時，或構造條件特殊時才采用較大的截面高度.一.。震反應強烈。不僅板本身受力很大，而且由于沿豎向剛度突然變化，相鄰上、下層受到很大的作用力，容易發(fā)生震害。以往的模型振動臺試驗研究表明：厚板的上、下相鄰層結構出現(xiàn)明顯裂縫和混凝土剝落，在豎向荷載和地震力共同作用下，板不僅發(fā)生沖切破壞，而且可能產生剪切破壞，板內必須三向配筋。從已設計的工程來看，帶有厚板轉換層的商住建筑，結構設計和施工都比較復雜，材料用量和造價都較高，而且抗震設計上的問題較多，目前還在進一步研究，所以采用這種結構形式要慎重對待。、桁架式轉換層轉換層設計：從結構的傳力方式來看，轉換桁架具有傳力明確，傳力途徑清楚，但構造和施工復雜。另一方面，轉換桁架不僅使開洞與設置管道具有條件，而且它們的位置與大小都有很大的靈活性，使充分利用該轉換層的建筑空間成為可能。經濟指標：從經濟指標來看，采用轉換桁架其鋼材和混凝土的用量比采用轉換梁要經濟?？拐鹦阅埽鸿旒苻D換層的節(jié)間采用輕質建筑材料填充，有利于減輕結構的白架轉換層的高層建筑其質量和剛度的突變要比帶轉換梁的高層建筑緩和。因此，地震反應要比帶轉換梁的高層建筑要小得多。華中科技大學碩士學位論文、帶轉換層結構的特點帶轉換層的結構及結構轉換層具有以下特點：轉換結構構件常常承受其上部結構傳下來的巨大豎向荷載或懸掛下部結構的制轉換結構構件設計的主要因素；轉換結構構件通常具有數(shù)倍于上部結構的跨度，轉換結構構件的豎向撓度成為嚴格控制的目標；由于上述特點，為保證轉換結構構件有足夠的強度和剛度，致使轉換結構構件的截面尺寸不可避免地高而大：結構中由于設置了轉換層，沿建筑物高度方向剛度的均勻性會受到很大的破壞，力的傳遞途徑有大的改變，這決定了轉換層結構不能以通常結構來進行分析和設.結構抗震概念設計的基本原則現(xiàn)敏感的薄弱部位，地震能量的耗散僅集中在極少數(shù)薄弱部位，導致結構過早破壞。現(xiàn)有抗震設計方法的前提之一是假定整個結構能發(fā)揮耗散地震下才能以多遇地震作用進行結構計算、構件設計并加以構造措施，或采用動力時程分析進行驗算，試圖達到罕遇地震作用下結構不倒塌的目標“。、結構的簡單性結構簡單是指結構在地震作用下具有直接和明確的傳力途徑，結構的計算模型、內力和位移分析以及限制薄弱部位出現(xiàn)都易于把握，對結構抗震性能的估計也比較可、結構的規(guī)則和均勻性力和傳力途徑華中科技大學碩士學位論文的突變，以限制結構在豎向某一樓層或極少數(shù)幾個樓層出現(xiàn)敏感的薄弱部位。這些部位將產生過大的應力集中或過大的變形，容易導致結構過早地倒建筑平面比較規(guī)則，平面內結構布置比較均勻，使建筑物分布質量產生的地震慣性力能以比較短和直接的途徑傳遞，并使質量分布與結構剛度分剛度之間的偏心。建筑平面規(guī)則、結構布置均勻，有利于防止薄弱的子結構過早破壞、倒塌，使地震作用能在各子結構之間重分布，增加結構的贅余度耗散地震能量的作用。、結構的剛度和抗震能力水平地震作用是隨機的，結構布置應使結構能抵抗任意方向的地要求結構沿平面上兩個主軸方向具有足夠的剛度和抗震能力。結構的抗震能力則是結構承載力及延性的綜合反映。也要注意控制結構變形的增大，過大的變形將會因△效應過大而結構除需要滿足水平方向的剛度和抗震能力外，還應具有足夠的抗扭剛度和抵抗扭轉振動的能力?，F(xiàn)有抗震設計計算中不考慮地震地面運動的扭中應注意提高結構的抗扭剛度和抵抗扭轉振動的能力。、結構的整體性高層建筑結構中，樓蓋對于結構的整體性起到非常重要的作用。樓蓋相當于水平隔板，它不僅聚集和傳遞慣性力到各個豎向抗側力子結構，而且要使這些子結構能協(xié)同承受地震作用，特別是當豎向抗側力子結構布置不均勻或布置復雜或各抗側力子結構水平變形特征不同時，整個結構就要依靠樓蓋使各抗側力子結構能協(xié)同工作。樓蓋體系最重要的作用是提供足夠的面內剛度和抗力，并與豎向各子構空曠、平面狹長或平面凹凸不規(guī)則或樓蓋開大洞口時，更應特別注意。設計中不能誤認為，在多遇地震作用計算中考慮了樓板平面內彈性變形影響高層建筑基礎的整體性以及基礎與上部結構的可靠連接是結構整體性的重要保證。華中科技大學碩士學位論文國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢..國內外轉換層的研究現(xiàn)狀層建筑向著多功能發(fā)展。轉換層是高層建筑適應城市建設發(fā)展需要的產物。五蘇聯(lián)、東歐一些學者提出了柔性底層房屋的方案，也就是上層全框架的結構體系，并認為柔性底層有利于隔震，提高整座建筑物建了不少這樣的房屋，這也是首次通過設置轉換層而取得底層大空間的嘗試“。但是，實踐表明柔性底層房屋并不具有人們所期望的隔震、抗震柱不能承受過大變形，在地震中容易破壞而使整座建筑物倒塌。例如在年前南斯拉夫斯可比耶地震中，這類房屋倒塌或嚴重破壞；年羅馬尼亞布許多這樣的建筑物由于底層柱破壞而倒塌；年月前蘇聯(lián)亞美尼亞地震中又總結我國在這方面的研究以及實際工程的應用始于世紀年代中期，年首先在上海天目路建成了層住宅上部剪力墻，下層部分改為框架，并對其進行了現(xiàn)場應力實測、光彈性試驗、鋼筋混凝土模型試驗及框支剪力墻有限元分析等一系列研波的擬動力試驗，并在大連建成了一幢層的友好廣場住宅；~年，中國建筑科學研究院結構研究所進行了一幢層底部大空間上為魚骨式剪力墻模型：的擬動力試驗研究、~年，還進行了一棟層大底盤大空間有機玻璃模型的型的振動臺試驗研究。這些研究為底部大空間剪力墻結構的整體剛度和樓層相對剛度的選擇和控制，提供了試驗和理論上的技術依據(jù)。對框支剪力墻結構中框支梁的研究，國內目前主要進行了有限元分析研究以及一些工程實踐的經驗總結。通過這些研究和總結，對轉換梁的受力特征有了較為全面的認識，獲得了可靠的設計依據(jù)，已作為一種特殊的結構體系反映華中科技大學碩士學位論文從上世紀年代中期，國內開始嘗試使用底層大開間剪力墻結構即到現(xiàn)在短短的三十年時間，梁式轉換層的工程應用發(fā)展很快。目轉換層具有傳力直接、明確和傳力途徑清楚的優(yōu)點。轉換梁具有受力性能好、工作可靠、構造簡單和施工方便的優(yōu)點，結構計算也相對容易，因此，工程實踐中應用較多。對國內、外棟帶轉換層的高層建筑結構的調查表明，采用梁式結構的有棟，約占%。但為保證轉換層有足夠的強度和剛度，轉換梁的截面尺寸往往很大，由有可能使轉換梁與框支柱形成的框架出現(xiàn)“強梁弱柱”的現(xiàn)象，對結構的抗震不利；另一方面也或多或少會影響該層的使用空間。目前對下部數(shù)層大開間，上部為小開間，中間帶有轉換層的高層建筑僅有理論分析和工程實踐的經驗總試驗研究。另外，由于設置了轉換層沿建筑物高度方向結構剛度的均勻性會受到很大的破壞，力的傳遞途徑有很大的改變，這就決定了轉換層結構不能以通常結構淶進行分析和設計。對轉換層結構的動力特性和抗震性能，目前還不是如何進行水平地震作用下帶轉換層高層建筑結構的地震反應和地震作用計算有待進一步研究。因此，近年來東南大學等結合實際工程對具有轉換層的結構包括梁式轉換層、桁架式轉換層、板式轉換層及巨型框架結構等進行了靜力試驗、擬動力試驗和振動臺的試驗研究，得到了很多有益的建議，為實際工程設計和施工提供了科學的依..幾種轉換層的發(fā)展趨勢帶轉換層高層建筑結構的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面":、鋼骨混凝土轉換層的應用由于建筑朝著高層和超高層形式發(fā)展，相應轉換層結構中轉換構件承托的層數(shù)也增多，同時，又由于建筑上對層高及空間的種種要求和限制，這使得工程應用中鋼骨混凝土材料的引入勢在必行。鋼骨混凝士梁不僅承載力高，剛度好，可大大減小截面尺寸，且塑性、耐久性和華中科技大學碩士學位論文抗震性能也優(yōu)于鋼筋混凝土梁。此外，鋼骨混凝土梁在施工階段、預應力混凝土轉換層的應用采用預應力技術可帶來許多結構和施工上的優(yōu)點，如減小截面尺寸、控制裂縫和撓度，控制施工階段的裂縫及減輕支撐負擔等等。因此，預應力混凝土結構非常適合于建造承重荷載的大跨度轉換層，且有自重輕，節(jié)省鋼材和混凝土。隨著我國預應力技術的發(fā)展，預應力材料及施工費用不斷下降，即使用材料等強代換的概念從經濟上來比較預應力混凝土結構和鋼筋混凝土結構，許多情況下后者并、轉換梁受力性能的改善轉換梁的截面尺寸通常是由其受剪承載力來控制，截面尺寸往往較大。從工程實踐看，鋼筋混凝土轉換梁常用截面高度為.~.;只有及承托層數(shù)較少時才采用較小的截面高度.~.;而跨度較大且承托層數(shù)較多時，或構造條件特殊時才采用較大的截面高度.一.。由于梁很強，處理不好有可能使轉換梁與框支方面采用轉換梁也多少會影響該層的使用空間；對外筒的轉換，采用轉換梁會對該層的通風、采用等不求新的轉換結構形式，以改善轉換粱受力性能。斜向支撐的應用：托柱形式轉換層由于直接承托跨中上部柱傳遞當轉換梁跨度很大且承托層數(shù)較多時，由柱傳遞下來的荷載將會支托的柱上荷載在傳給轉換梁之前，預先卸去部分給兩邊落地的豎向框架柱，可在轉換梁上部框架中布置一定數(shù)量的斜腹桿，使轉換梁上相當一部分垂直荷載改變傳力傳力的作用。豎向傳力的多道轉換：為了避免一個轉換梁承托上部所有各層荷換梁截面尺寸過大、施工非常困難的情況，另一行之有效的方法使一層轉換梁承托上部所有層變成多道轉換梁分別承托幾層或梁上承受的荷載。華中科技大學碩士學位論文轉換梁加腋的應用：實際設計時，轉換梁的截面尺寸往往是由其受剪承載力如果能設法增強轉換梁的支座區(qū)段的抗剪承載力梁在支座區(qū)段的剪力較大，就可以有效地降低其截面尺寸。轉換梁的加腋就是基于這一想法而提出的。當然，考慮與上部剪力墻共同工作，由于轉換梁截面尺寸減小，使其承受的荷載相應減小，帶來的問題是上部墻體承受的荷載相應增加，設計時需要予以加強。、新型轉換結構的應用由多個單層桁架空腹桁架、混合空腹桁架等疊合組成的結構稱為“疊層桁架結構"。分析表明：單層桁架包括空腹桁架、混合空腹桁架、斜枰桁架等或疊層桁架的工作機制是由多根截面尺寸較大的弦桿梁共同承擔上部豎向荷載的工作機制，設置斜腹桿改變了豎向荷載的傳力方向和位置，起卸載作用，類似于拱傳力。因此，單層或疊層桁架的工作機理與上述兩種改善托柱形式轉換層結構中轉換梁受力的方案是相類似的，將單層或疊層桁架替代轉換梁作為轉換層結構將是一種可行的結構方案。下弦桿的軸向拉力進一步增大，采用普通鋼筋混凝土不能滿足轉換結構抗裂要求時，一般可以考慮下弦桿采用預應力混凝土，形成預應力混凝土桁架、傳統(tǒng)抗側力結構形式的改善框架結構和框架一剪力墻結構是傳統(tǒng)的抗側力結構形式，已廣泛地被應用于高層建筑中，但這些傳統(tǒng)的結構形式不能滿足現(xiàn)代高層建筑多功能、綜合用途的建筑空間要求，尋求新的抗側力結構形式便成為工程設計人員所關注的問傳統(tǒng)的框架體系僅適用于頂層到底層使用性質大體相同的樓層。若建筑物各樓層的使用功能有較大變化，某些樓層要求有較大的無柱空間時，就需要采用新的結構體系。大尺度的框架結構或稱巨型框架結構體系是一種與框架不同種結構體系將其中的框架部分設計成主框架和次框架。主框架是每隔~層設置一根大截面框架梁，每隔~個開間設置一根大截面框架柱。主框架大梁之間的幾個樓層，則另設置柱網(wǎng)較小的次框架。次框架僅負擔這幾個樓層的豎向荷載，并將它傳給主框架大梁，而這些樓層的水平荷載則通過各層樓蓋直接傳到框架柱截面可以做得很華中科技大學碩士學位論文小，有利于樓面的合理使用。主框架各大梁之間的各個次框架是網(wǎng)的形式和尺寸均可互不相同，某些樓層也可以按照使用空間的擴大柱網(wǎng)。小框架的柱子甚至可以全部在其頂層樓蓋處終止，從而形成一個擴大到整個樓面的無柱大空間，用作大會議室或展覽廳。錯列墻梁桁架體系是另一種與傳統(tǒng)框架不同的結構體系，它是由一系列與樓層等高的墻梁或桁架組成，墻梁或桁架橫跨在兩排外柱之間。采用這種結構體系能為建筑平面布置提供寬大的無柱面積，使樓面的使用更加靈活。在建筑平面上只有橫向上的外柱而沒有內柱。墻梁或桁架的排列可以有規(guī)則地一方面所需要的更大空間。傳統(tǒng)的框架一剪力墻結構由于剪力墻沿建筑物高度方向是連續(xù)高層建筑所需要大跨度、大開間的建筑功能的要求，同時剪力墻基礎設計不利。錯列剪力墻體系是一種與傳統(tǒng)框架一剪力墻不同列與樓層等高和開間等寬的墻板沿框架高度錯列布置，這種結構體系可使整個建筑體系成為幾乎對稱均質。分析表明，與相同條件的傳統(tǒng)框架一剪力合理的規(guī)律錯列布置的錯列剪力墻結構可提供結構的剛度和大大地降低剪力墻的底部彎矩，這對剪力墻的基礎設計是有益的，同時能滿足現(xiàn)代高層建筑所需要大跨度、大開間的建筑功能的要求。.本文主要研究內容平面不規(guī)則帶轉換層的框支剪力墻高層建筑結構屬于復雜結構。本文結合工程實例，通過結構方案對比分析、結構的整體有限元分析、平面不規(guī)層建筑結構設計時應具有的結構概念，總結平面不規(guī)則框支剪力墻梁式轉換結構的工作特性與規(guī)律。進行東龍世紀花園樓轉換層設計方案的分析探討，并根據(jù)分析研究簡短、合理的傳力途徑；滿足建筑的開問、進深、層高、平面關系和體型等要求；除選擇合理的抗側力結構體系外，還從平面和立面的變化方面考慮有利于減少結構的側移，提高結構的總華中科技大學碩士學位論文體剛度；并考慮施工上技術先進、提高工業(yè)化的程度，便于施工。本文希望通過對實例的分析，進一步了解平面不規(guī)則帶轉換層框支剪力墻高層建筑同類結構體系的抗震設計和構造加強設計提供參考，以確保結構具有良好的抗震性能。本文主要包括以下內容：、綜述高層建筑結構均勻性的體現(xiàn)及目前常用轉換層結構的形式換層結構的發(fā)展趨勢與研究現(xiàn)狀；的建筑在確定結構方案時應考慮的主要因素；、通過改變剪力墻數(shù)量、位置、厚度和形狀等多種因素而形成的相應結構方案的分析對比，研究層問位移角、樓層位移、結構振型和樓層反應力等隨這些影響因素而變化的規(guī)律；、系統(tǒng)地論述平面不規(guī)則結構的判別和控制，結合工程實例進行如何提高結構的抗震性能；、對全文的研究工作進行總結，并對該領域尚應進一步研究的問題進行探討。華中科技大學碩士學位論文帶梁式轉換結構的整體有限元分析方法.高層建筑結構選型的主要影響因素隨著計算機科學、系統(tǒng)工程、運籌學、信息論、知識工程等學科合性的結構工程正不斷受到它們的滲透和影響而向多元化方向統(tǒng)觀念開始不斷深入人心。高層建筑事實上是一個復雜的大系統(tǒng)，其復雜性主要表現(xiàn)在環(huán)境作用的不確定性、功能的多樣性、局部耦聯(lián)性和非線性。這里的環(huán)境是廣義的，它既包括自然環(huán)境如地震、火災、場地、風場以及溫度場等，也包括社會環(huán)境經濟規(guī)律、審美要求等。如何使設計出的高層建筑能最大限度地滿足所有環(huán)境場的綜合要求，尋求到設計的“滿意解”,是工程設計理論工作者面臨的艱巨任務之一。一般說來，建筑結構設計可以概括為結構選型、結構整體設計及結構構件設計等三個階段。任何階段上不明智的決策都將導致建造上的困難和成本的增加，甚至是不滿足規(guī)范要求的結構選型不單純是結構問題，而是一個綜合性的科學問題，是一個多目標的有著許多不確定影響因素的綜合決策問題，具有強烈的軟科學色彩，它需要充分利用專家的經驗。結構選型是一項橫跨多門學科的前沿性研究課題，目前國內外對此剛剛開始注重研究。對于千差萬別的建筑方案，除了對建筑美學等的考慮、環(huán)境條件。主要包括設防烈度、場地條件、基本風壓等；、建筑方案特征。主要包括方案建筑的高度、高寬比、長寬比以中建筑體型包括平面體型和立體體型；、建筑使用功能要求。高層建筑的使用功能大體上可分為住宅、辦公樓、旅館和綜合樓等。某種功能的建筑可能只有某幾種結構型式和它相匹可以使整個建筑更早地投入使用，取得經營收入，同時還可以縮短貸款建設的還貸時間，從而減少華中科技大學碩士學位論文還貸利息；、材料供應狀況；、設計、施工水平；、結構抗災水平和可維護性。.結構分析的基本方法工程結構分析大致經歷了三個階段：靜力分析階段、擬動力分析階段和動力分析階段。相應結構分析有三種方法：靜力法、反應譜法、直接動力上世紀初期，日本地震學家提出震度法”“?來考慮地震作用對結了地震作用無法計算的歷史。震度法也稱靜力法，假設結構為剛度均等同地面運動加速度，對由此產生的地震作用最大值按靜力形式施加于結構上進行受力分析。它忽略了結構的變形特征，沒有考慮結構的動力特汰。本節(jié)只對反應譜法和時程分析法進行概述。..反應譜法上世紀年代以后，由于計算機技術的應用，在取得了較多的強震記錄的基礎上，產生了反應譜理論。反應譜是指單自由度體系最大地震反應與結構體系自振周期的關反應譜理論取消了靜力法中剛體平移振動的假設，考慮了地震作用與結構動力特性的關系。通過反應譜，可以將地震作用等效為一定分布形式的靜力作用在結構上。同靜力法相比，反應譜法更真實地反映了結構的動力特性。經過實踐證明，應用反應譜理論對大部分建筑物的抗震分析結果均可滿足工程設計的精度要求，且使用簡便。方法包括底部剪力反應譜法和振型分解反應譜法"?。底部剪力反應譜法認為，結構底部地震剪力與等效的單質點體系的水平地震作用華中科技大學碩士學位論文相等，由此確定結構總水平地震作用及其沿高度分布，各層重力荷載代表值集中在樓蓋處，在結構的每個主軸方向可僅考慮一個自由度。即：如岸×口×啊盯×一?式中??地震系數(shù)，是地面運動加速度最大絕對值與重力加速度的||??動力系數(shù)，是單自由度彈性體系在地震作用下加速度反應最大絕對值與地面加速度最大絕對值之比，我國口.;??地震影響系數(shù)。根據(jù)抗震設防烈度和設計基本地震加速度的不同，地震影響系之變化。表.給出了相應于小、中、大震各自對應的地震影響系數(shù)。抗震設防烈度度度設計基本加速度小震多遇地震中震設防地震.....值大震罕遇地震振型分解反應譜法是利用振型分解的概念，在彈性狀態(tài)下把多自由度體系分解成為若干個單自由度體系振動的組合，求出各單自由度體系的最大地震反映，然后按照適當?shù)慕M合規(guī)則組合或組合進行組合，從而得出整個多自由度體最大地震反應。振型分解反應譜法可以考慮結構存在偏心時的扭已成為世界各國規(guī)范中給出的一種水平地震作用計算方法。由于反應譜法基于彈性假設，采用疊加原理，屬于等效靜力方法，因此其使用范圍具有一定的局限性。反應譜方法的優(yōu)點在于：、采用擬動力方法計算地震反應，考慮了地面運動的強弱、震中距的遠近、場地土性質及結構動力特性對地震作用的影響，使得所求到的地震作用具有一定的代表性；、計算模式用于設計比較方便，求得等效地震作用按靜力方法進的內力能夠代表在地震作用下的不利內力，據(jù)此設計的截面可以滿足抗震設防要求。反應譜方法的缺陷在于：、設計反應譜主要依據(jù)設計地震的加速度反應譜，不能考慮地面運動速度和持時震所造成的危害更大，尤其是對于較長周期的建筑物，這一影響更為明顯。反應譜方法體現(xiàn)不出這一影響。、設計反應譜是根據(jù)彈性結構地震反應繪制的，未能考慮結構的塑性變形的影響。由于地震作用和建筑物本身的動力特性、振型變化有著密切的關導致結構的水平作用的大小和分布隨之發(fā)生變化。即使引入延性影響系數(shù)，也只能籠統(tǒng)地給出結構進入非線形狀態(tài)的整體最大地震反應，不能給出地震過程中各構件進入彈塑性變形階段的內力和變形狀態(tài)，無法找出結構的薄弱環(huán)節(jié)。,.時程分析法時程分析法是在靜力法和反應譜法之后發(fā)展起來的，是一種動力分析方法。它需要一個或者多個加速度譜線來模擬設計地震，然后對結構物的運動微分方程在時域中進行逐步積分求解。根據(jù)時程分析可得到各質點隨時間變化的位移、速度和加速度等的動力反應，并進而可計算出構件內力的時程變化關系。由于此法的特點是直接求解結構的運動方程，故此又稱直接動力分析法。直接動力分析包括動力時程分析法和隨機振動分析法。時程分析法中又分為兩部分：多遇地震作用下的彈性動力時程分析和罕遇地震作用下的彈塑性時程分析。任一多自由度體系在遭遇地震作用時的運動方程為：彩驢甌式中。一地震地面運動加速度向量，即輸入地震波；??質量矩陣；療一加速度向量列陣：??阻尼矩陣；哪??速度向量列陣；一位移向量列陣。由于記錄的地震加速度波是一個復雜的時間函數(shù)，方程的求解要利用逐步積分的數(shù)值方法來進行計算。將地震作用時問劃分成若干微小的時間段，相隔△,于是上述基本運動方程可以寫為增量形式：△△驢“】△△;求解式?方程，除了選用較好的數(shù)值積分方法以外，還必須確定結構的力學模型計算簡圖、選擇能夠代表地震特性的地震波以及選擇合適的數(shù)值方程解法。彈性時程分析可以采用同反應譜相同的計算模型，計算可以在反應譜分析建立的側移剛度矩陣、質量矩陣的基礎上進行，不必重新輸入結構的基本參數(shù)。時程分析法的產生己將抗震計算理論由等效靜力分析進入到了直接動力分析，是一種飛躍。更真實地描述了結構的地震反應，校正與補充反應譜法分析的誤差與不足。和反應譜法相比，時程分析法取得的主要進展是：、時程分析比較全面地反應了地震動強度、頻譜特征和持續(xù)時間三要素的影響；、時程分析直接考慮了構件與結構的彈塑性特性，可以找出結構制罕遇地震作用下結構的彈塑性反應，防止房屋倒塌的產生；、時程分析法可給出結構隨時間變化的反應時程曲線、找出各構件出現(xiàn)塑性鉸的這里需要明確，時程分析法是一個研究工具，它是用來調查結構在地震作用下普遍的而不是特定的反應。由于地震作用的不確定性，以及我們對地震特點以及結構特性所作的假設，使得地震反應預測帶有很大的不確定性，時程分析的結果并不能說是對結構在遭遇可能地震作用時，結構動力反應的準確估計，同靜力法和反應譜法一樣，它也是粗略的。它的重要價值是對重要結構的反應進行校核，檢驗結構是否能夠在遭遇可能地震時，按照設計師預想的可能塑性變形方式乍出反應，達到預期的抗震減災的目的“”。華中科技大學碩士學位論文..模型振動臺試驗建筑科學也是一門試驗科學，不管當今的力學計算水平如何發(fā)展，畢竟也只是人們對所分析的對象的簡化模型進行近似分析，試驗技術仍然是工程設計中不可缺少的輔助工具。特別是當結構非常復雜、現(xiàn)有計算理論又無法圓滿解能借助模型振動臺試驗，直接對模型結構的地震反應及破壞形態(tài)進行觀察。""。.結構分析模型..計算模型三維空間結構的分析一般主要基于以下假定：、線彈性假定：假定結構處于小變形、彈性范圍；、樓板在自身平面內剛度無限大，平面外剛度忽略不計；、考慮結構整體協(xié)調工作，考慮墻柱豎向變形的影響；本文進行結構分析時采用中國建筑科學研究院開發(fā)的三維空間結構有限元分析軟殼元理論為基礎，構造出的墻元模型來模擬剪力墻進行計算分析，墻元不僅具有墻平面內的剛度，也具有平面外剛度，可以較好地模擬工程中剪力墻的實際受力狀態(tài)?？梢钥紤]多、高層建筑中多塔、錯層、轉換層及樓板局部開大洞等特殊結和彈性樓板自動劃分的功能。..計算模型的特別處理、層剛度比樓層剛度是指使結構樓層產生單位層問水平位移所需要施加的常用的簡化方法有以下兩種：按樓層抗剪剛度來估算樓層側向剛問位移的比值來計算樓層側向剛度。對于框架結構，層抗剪剛度筑抗震設計規(guī)范》?以下簡稱《抗震規(guī)范》中推薦使用第二種方華中科技大學碩士學位論文法。在棚中，層剛度比的計算是考慮剪切、彎曲變形的剪彎剛度合理。、彈性樓板御州程序中可以考慮樓板的變形，即可以設定彈性樓板。彈性樓分別為“彈性樓板”和“彈性樓板”:彈性樓板：假定樓板平面內無限剛，程序僅真實地計算樓板平面彈性樓板：程序真實地計算樓板平面內和平面外的剛度。、振型數(shù)取值合理性判斷對于剛度不均勻的復雜結構，尤其是多塔結構以及帶轉換層結構在考慮扭轉耦連計算時，很難確定應該取多少個振型計算地震力，若計算振型數(shù)給少國外軟件算出方向和方向的振型有效質量，通過振型有效質量的大小來判斷所給定的是否已足夠。程序給出的有效質量系數(shù)百分數(shù)越大，表明對計算地震力有貢獻的質量越多，未計算出來的地震力越少。計算經驗表明，若有效質量系數(shù)小于%,則說明用戶給定的計算振型數(shù)不、模擬旎工加載由于高層建筑結構施工周期長，其豎向載荷逐層增加，銣剛中采用模擬施工加載的方式進行考慮。模擬施工加載可以較好地模擬在鋼筋混凝土層加載，逐層找平的過程，在一定程度可以考慮基礎的不均勻沉降對結構構件內力的影響，使基礎的受力更為均勻、合理。.設計階段結構整體分析對結構進行整體分析，是了解結構在地震作用下動力特性、判斷結構的變形是否滿足抗震設防要求以及進行構件截面設計所必須的。我國抗震設計規(guī)范采用二階段三水準的抗震設計方法，要求“小華中科技大學碩士學位論文修，大震不倒”的抗震設防目標。、?。即要求“在遭遇低于本地區(qū)抗震設防烈度的多遇地震年超越概率.%,即小震影響時，一般不受損壞或不需修理可當遭遇相當于本地區(qū)抗震設防烈度的地震年超越概率%,即中震能損壞，經一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用，當遭受高于本地區(qū)抗震設防烈度預估的罕遇地震年超越概率%,即大震影響時，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴重破壞”。這就要求在設計時按照多遇地震的地震動參數(shù)進行結果算小震作用下結構的層間彈性位移，保證在此類地震作用下，建