高楼顶塔楼地震作用下的“鞭梢效应”机理及工程应用研究

论文摘要

高层建筑的顶部常常有突出的构筑物。在地震时,这些突出的部分往往产生强烈的振动,很容易损坏甚至是脱落。目前这种结构体系的抗震设计方法国内外研究得较少,以致工程设计上缺乏较为合理实用的设计方法。本文对带塔楼高层建筑结构体系的抗震设计方法进行了较为系统的研究,深入地研究了结构动力特性、地震作用计算方法和抗震设计方法。以杭州第二长途电信枢纽大楼为例,采用三维空间有限元模型研究顶部带塔楼的高层建筑动力特性。从整体动力特性可以看出,当高层建筑在地震动作用下产生振动时,屋顶塔楼在高层建筑屋顶层振动的激励下,产生二次振动,发生显著的“鞭梢效应”。本文在讨论了结构动力分析中阻尼计算模型的研究进展,在此基础上介绍了非比例阻尼结构体系的动力响应特点。并在总结带塔楼高层建筑整体地震作用的计算方法的基础上,提出了采用振型分解反应谱法和振型分解直接动力分析法时所考虑的适宜的振型阶数。本文分析了高层建筑顶部塔楼鞭梢效应产生的本质原因,指出塔楼的鞭梢效应实质上是由于在地震作用下整体结构发生共振产生的,而与塔楼和主体结构自振周期的比值没有直接的联系,并提出了高层建筑顶部塔楼抗震概念设计的基本原则。研究了塔楼地震作用的影响因素,分别分析了场地类别、设计地震分组、主体结构质量和刚度、塔楼质量和刚度等因素对塔楼地震作用的影响,在此基础上给出了塔楼地震作用的简化计算方法。工程实例计算验证了所提出的简化计算方法的正确性和适用性。总结了带塔楼高层建筑的抗震设计方法,并采用三维空间有限元程序进行了塔楼与主体结构连接处的局部应力分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 地震及其危害
• 1.1.2 高层建筑顶部塔楼震害
• 1.1.3 突出屋面塔楼地震作用及规范分析方法
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本课题研究的主要内容
• 第2章 带塔楼的高层建筑的振动分析
• 2.1 高层建筑常用结构分析模型概述
• 2.1.1 层间模型
• 2.1.2 杆系模型
• 2.1.3 杆系—层间模型
• 2.1.4 有限元模型
• 2.2 本文选用结构分析模型的说明
• 2.2.1 结构振动模型
• 2.2.2 质量矩阵
• 2.2.3 动力刚度矩阵
• 2.2.4 阻尼矩阵
• 2.3 结构的动力特性
• 第3章 带塔楼高层建筑的阻尼模型
• 3.1 阻尼模型
• 3.1.1 粘滞阻尼与复阻尼
• 3.1.2 比例阻尼与非比例阻尼
• 3.2 阻尼比
• 3.2.1 常见结构阻尼比
• 3.2.2 阻尼比的选取
• 3.2.3 高楼顶加钢塔复合结构阻尼比的计算
• 第4章 高层建筑楼顶塔楼的地震作用
• 4.1 带塔楼高层建筑的整体地震作用计算
• 4.1.1 概述
• 4.1.2 高振型对带塔楼高层建筑地震响应的影响分析
• 4.2 塔楼鞭梢效应的动力分析
• 4.3 塔楼地震作用的简化计算
• 4.4 偏心结构扭转振动效应计算
• 4.4.1 全墙体系
• 4.4.2 框架及框架—剪力墙体系
• 4.5 工程实例
• 第5章 带塔楼高层建筑的抗震设计
• 5.1 抗震概念设计
• 5.2 抗震计算与验算
• 5.2.1 塔楼水平地震作用
• 5.2.2 塔楼与主体结构截面抗震验算
• 5.2.3 塔楼与主体结构抗震变形验算
• 5.3 塔楼与主体建筑连接处的有限元分析
• 5.3.1 计算模型的建立
• 5.3.2 计算结果与分析
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文