超限高层结构振动台模型设计与动力分析

论文摘要

本文以武汉世茂锦绣长江A2地块1号楼3单元为例,依据相似原理和结构的静、动力特性等效原则,建立1:30的模拟地震振动台模型,完成地震波加载和测试方案设计,研究其开裂烈度、结构的破坏形式和破坏原理,并指出其薄弱部位,对结构设计提出建议;同时利用有限元方法对结构模型进行动力分析,研究结构在3种地震波作用下时顶层水平位移时程曲线、顶层加速度时程曲线、水平位移沿楼高的分布曲线以及层间变位角沿楼高的变化曲线。结果表明,地震反应分析模型合理,原型结构满足抗震要求。通过比较地震振动台试验结果与有限元的分析结果,得出以下结论:1.该模型结构第一振型的自振周期为0.394s,推至原型结构为4.81s,而场地的卓越周期0.33s,原结构避开了场地的卓越周期,避免产生共振效应。2.本高层建筑采用剪力墙结构,结构的水平刚度较大,但两个主轴方向的刚度是不一样的,结构的Y向刚度小于X向刚度。由于质量中心与刚度中心不重合,本结构振动形式表现为平动与扭转的耦联,通过研究表明,取结构的前15阶振型进行分析能够较精确的反应结构的实际受力状态。3.通过在有限元模型中输入El_centro波、Taft波以及武汉人工波,分析结构的时程曲线、层间位移、层间位移角、加速度时程曲线等,得出本结构的动力响应。结果表明,结构抗震性能良好。4.高阶振型对结构的影响比较明显,薄弱层出现在结构的上部。试验和计算结果有一点差别,但是总体上吻合较好。本文最后对试验和计算提出了一些建议和改进,相关方法和结论希望能为今后类似超限高层结构的振动台试验设计及其动力分析提供参考。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 相似理论概况
• 1.2.1.1 结构动力模型试验的一般要求
• 1.2.1.2 相似理论
• 1.2.2 地震模拟振动台实验概况
• 1.3 本文研究内容和进行的工作
• 第2章 相似理论与振动台模型试验
• 2.1 动力特性试验的意义
• 2.2 工程概况
• 2.3 模型设计
• 2.3.1 模型类型与材料的选取
• 2.3.2 相似关系设计
• 2.3.3 模型的简化
• 2.3.4 模型的施工
• 2.3.5 材性试验
• 2.4 试验装置与测试内容
• 2.4.1 地震波的选取
• 2.4.2 振动台性能主要参数
• 2.4.3 测点布置及加载步骤
• 2.5 试验现象与分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 有限元理论与ANSYS模型建立
• 3.1 有限元法理论概述
• 3.2 大型通用有限元分析软件ANSYS简介
• 3.2.1 有限元软件ANSYS概述
• 3.2.2 本工程所用单元简介
• 3.2.2.1 BEAM4单元
• 3.2.2.2 SHELL63单元
• 3.3 本工程模型建立
• 3.3.1 计算模型参数的选取
• 3.3.2 本文的计算模型
• 第4章 结构的动力响应分析
• 4.1 地震反应分析基本理论
• 4.1.1 静力法
• 4.1.2 反应谱法
• 4.1.3 动力时程分析法
• 4.2 结构的动力特性
• 4.3 模态分析
• 4.3.1 结构动力学基本方程
• 4.3.2 ANSYS模态分析介绍
• 4.3.3 ANSYS软件的模态分析过程
• 4.3.4 结构模态计算结果及分析
• 4.4 地震响应分析
• 4.4.1 动力反应的求解方法
• 4.4.2 地震波选取
• 4.4.2.1 选波的原则及波的来源
• 4.4.2.2 地震波幅值的调整
• 4.4.3 结构位移反应
• 4.4.3.1 时程曲线比较
• 4.4.3.2 结构最大侧移和最大层间侧移
• 4.4.3.3 结构最大侧移和最大层间位移角包络图
• 4.4.4 结构加速度反应
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 本文主要结论
• 5.2 后续工作与展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间公开发表的论文
• 致谢