大跨度刚性空间结构竖向地震的静力弹塑性分析

大跨度刚性空间结构竖向地震的静力弹塑性分析

摘要

大跨度空间结构是目前发展最快的结构类型，越来越多地应用于各种公用建筑中，其结构的动力特性正被广大研究人员所关注。随着国内外抗震研究的不断深入，对不同类型的结构分别采用相应特定的抗震计算方法。但对于大跨度刚性空间结构，由于结构形体变化较大，特别对于第 _振型以竖向振动变形为主时，静力弹塑性分析的Push, over方法不再适用。然而时程分析法讥算地箴激励下规则大跨度刚性空间结构的响应和进行抗震性能评估时，设计和分析人员面临着汁算工作量大、耗时长等困难，使得抗震评估较难掌握和实施。本文力昭寻求一种简化的竖向抗震计算方法、提出蜃向靜力弹璧從勿沥的新概念，这也是目前大跨度空间结构研究领域的一个新课题。

首先本文在查阅大量研究文献的基础上，简要综述分析了工程结构抗震所采用的反应谱法、虚拟激励法、时程法以及静力弹塑性Push-over分析方法，并提出了本文的主要工作和研究内容。

详细介绍和分析了Push-over方法的基本假立和基本原理，明确了Push-over方法的适用范H 及其在竖向刚度分布规则的多、高层结构中应用时的实施方法。

结构的动力问题日益引起更多的关注，以求更好地预测结构在地震、风等动力作用下的性能，并J•求更好的防护F段对结构振动进行上动和被动控制。很据•多年来国内外学者对竖向地震特性的研究和分析成果，琴艾聖门竖向地震反应谱、并形成竖向设计反应谱、利用谱分析方法2算竖向地震作用下大跨度刚性空间结构的响应。将结构支座竖向勇力和结构控制点购之间的关系，转化为典型的輸如U潸位殿间的关系(即弹性竖向需求谱)，同时利用延性系数辱方法彫啟弹鶴性竖向需求谱根据规则大跨度刚性空间结构的特性，参照fEi£4^Z?(Federal Emergency Management Agency) 和jrr-^

同时建立了计算竖向目标位移的基本方法并提出了结构的破堺准娜针对本文的Push, down 新方法，提出一阶模态加载模式的单模态Push, down法和多阶模态共同作用的多模态加载模式Push, down法，并进行了理论推导：得出了竖向能力谱法和改进的能力谱法小基怎转也公式;推导了弹性竖向需求谱柚考虑延性的弹塑性竖向需求谱的理论：提岀了用Psuh. down方法进行竖向抗震性能分析和评估的分析步骤。

本文通过模态分析，得到特左大跨度刚性空间结构的动力特性以及各振型的特点、振型参与系数和参与质量，进而得岀本文提出的大跨度刚性空间结构竖向静力弹塑性Push, down的应用范围。

给出了一个单模态Push, down法分析的简单算例，一个4X4井字网格楼盖的竖向抗震性能评估，兴通过D时程法的比较、得出应用Push, down法能够有效的、方便的得到基本振型为竖向变形且第一阶振型参与为主的简单结构体系的抗震性能。

给岀了一个多模态Push, down法分析的算例，一个单层网壳的竖向抗震性能评估，各模态下的响应采用模态组合法获得。同时将抗丧评估结果与该结构竖向时程分析方法下的结果进行比较，结果表明多模态竖向静力弹塑性抗谡评估方法与时程比较接近，能够考虑髙阶模态的影响。

采用本文的研究成果竖向静力弹塑性分析方法Push, down法，可对基本振型为竖向振动的结构，在竖向地箴作用下的抗震性能进行评估并做岀有效的分析。本方法可以考虑多模态的组合作用，增加了计算结果的精确度。

关键词：大跨度刚性空间结构，性能设计，Push. 0Ver\模态分析，竖向反应谱，

Push, down,竖向需求谱，竖向能力谱，竖向荷载分布模式，抗震性能评估，多模态静力弹塑性分析第七章结论与展望

(1)本文首先综述了目前国内外常见的抗震分析方法：反应谱法、随机振动法、时程法和静力弹塑性分析方法(Push-, over法)。反应谱方法基于线性反应的假左，对于非线性和弹塑性分析能力不足：随机振动方法解决工程问题快捷、准确，但将其应用于工程实践尚须改进和简化；时程法能够较真实和准确的反应地震动作用下结构的反应，但由于计算工作疑大且地丧波的选取困难，使得该方法实际操作不方便。静力弹塑性分析(Push-over法)仅仅只能分析竖向规则的多、髙层结构，不适应于大跨度空间结构。

(2)通过对静力弹塑性分析(Push_0vef法)的介绍和研究，明确了静力简化方法的基本原理和处理方法。进而说明同样处理方法在竖向静力弹塑性分析可以借鉴。

(3)通过对竖向地震资料分析，得岀竖向地震加速度与水平地震加速度的比值，建立了不同基本烈度下和不同场地的竖向地震影响系数曲线，进而得到基本烈度下的竖向反应谱关系：根据国内抗震设防三标准原则，将基本烈度下的竖向地震影响系数进行系数折减或放大，得到多遇地丧作用下或罕遇地震作用下的设计竖向地震影响系数曲线；再通过阻尼处理和理论推导建立了弹性和弹塑性竖向反应谱。通过一个il•算实例，比较了本文得岀的竖向反应谱理论与抗震规范(GB5001 1-2001)简化il•算方法的结果，得岀结构在不同烈度、不同场地条件下，竖向地震影响系数随着结构固有周期的变化规律。竖向地震加速度与水平地震加速度的比值，对于基岩y/ H=0. 65：对于土层场地(11/III/IV类场地类别)V/a与结构的基本周期相关，其比值在。.5〜1. 0之间。在II /III/IV场地条件下竖向地震的作用比规范简化讣算的结果偏大，规范的汁算结果偏小，略显不安全。

(4)根据规则大跨度刚性空间结构的特性，参照FEMA273ffederal Em郸弘cyManagem锄t Ag=c9 和ATC40(A卵lied Technology Council)中关于多、高层建筑结构抗震分析中采用的PlISh-Over 法的计算原理，提出一种大跨度刚性空间结构的竖向静力弹塑性分析方法(Push, own法)，并对该方法进行详细的理论推导。同时建立了得到竖向目标位移的基本方法及提岀了结构的破坏准则；提岀了一阶模态加载模式的单模态Push, own法和多阶模态共同参与的多模态Push, own法，并进行了理论推导：得出了竖向能力谱法和改进的能力谱法的基本转化公式：推导了弹性竖向需求谱和考虑延性的弹塑性竖向需求谱的理论：通过文中建议的分析步骤可进行竖向抗震性能分析和评估。即完成了单模态加载法的竖向静力弹塑性分析方法的理论研究和分析方法：完成了多模态组合参与下的竖向静力弹塑性分析方法理论和分析方法。

(5)通过模态分析，明确大跨度刚性空间结构的动力特性以及各振型的特点、振型参与系数和参与质疑。得出Push-down分析方法应用范用为：①第一振型为竖向变形的规则大跨度刚性空间结构(尤其适用于杆件采用梁、梁一柱单元来模拟的大跨度刚性空间结构体系)：⑦模态分析中，竖向振动以一阶振型参与为主或由多阶模态共同参与作用的结构，不考虑各振型的耦合作用。

(6)给岀了一个单模态Push-down法分析的简单算例，一个4X4井字网格楼盖的竖向抗震性能评估，并通过与时程法的比较，得出应用Push-down法能够有效的、方便的得到基本振型为竖向变形且第一阶振型参与为主的简单结构体系的抗震性能。

⑺给出了一个改进多模态Push-down法分析的算例，一个单层网壳的竖向抗震性能评估。％模态下的响应采用模态组合法获得。同时将抗震评估结果与该结构竖向时程分析方法下的结果进行比较，结果表明多模态竖向静力弹塑性抗震评估方法与时程比较接近，能够考虑髙阶模态的影响。

(8)采用本文的研究成果竖向静力弹塑性分析方法Push-down法，可对基本振型为竖向振动的结构，在竖向地震作用下的抗震性能进行评估并作出有效的分析。本文方法可以考虑多模态的组

合作用.增加了计算结果的精确度°