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目前,国内方钢管混凝土结构应用于高层建筑的工程实例并不多。但由于其节点连接简单、施工方便和外形规则的特点,正越来越受到重视。高层建筑外形日趋新颖,体系渐为复杂。而方钢管混凝土高层建筑,在大震下的非线性地震响应情况还并不为人们所熟知。在大震没有到来之前,计算和考察其整体以及局部的动力反应,预估失效模式和破坏状况,提出补强措施,确定经济合理的设计目标和方法,无疑是有意义的。
本文总结了结构分析的单元模型和整体计算模型;钢和混凝土的单轴和多轴本构关系。随后在钢管混凝土统一理论的基础上,提出了简化的三线型随动强化滞回模型,采用三维空间杆系建立结构的整体计算模型。
首先完成了结构在小震状态下的静力和反应谱计算。对于这种平面为“L”型并且沿楼层高度不断旋转布置的复杂结构体系,给出了解决扭转效应的方案,提出了合理的刚度布置措施。在此基础上,采用通用非线性有限元方法,考虑材料非线性,根据简化的方钢管混凝土三线型随动强化模型,生成三种新材料,用以模拟三种截面的钢管混凝土柱,进行了结构整体的弹性和弹塑性时程分析。计算表明,弹性时程分析结果大致与反应谱结果成正比;弹性阶段结构的响应大致与输入的地震能量成正比。同时,还应注意即使加速度峰值相同的情况下,输入不同频谱结构的地震波,结构的响应也会不同。弹塑性时程分析,则较好地预测给出了结构中出现塑性的时刻、部位和严重程度,这对于判断薄弱部位和给出补强措施有重要意义。可以得到结论,好的结构设计应该使损伤或者塑性变形分阶段发展,而不应产生脆性断裂和薄弱楼层。
在第五章和第六章分别完成了模拟地震振动台试验和节点低周反复试验研究。通过振动台试验,研究了在不同烈度和地震波输入情况下,结构随地震强度、频谱和持时变化而变化的非线性行为,得到了结构由弹性、到弹塑性,直至破坏的全过程反应。试验结果与第四章的弹塑性时程分析结果吻合较好。在第六章,进行了内隔板式、单锚定板式和双锚定板式的方钢管混凝土柱-钢梁连接节点的低周反复加载试验。从节点在建筑中的位置,又分为十字型的中柱节点和丁字型的边柱节点两种。比例尺为1/4.5,共9个试件。通过试验,研究了方钢管混凝土内隔板式和锚定式节点在地震作用下的承载能力、变形能力、滞回特性、耗能能力、破坏机制及强度与刚度退化规律等抗震性能。探讨了方钢管混凝土节点的工作性能,给出了设计建议。相关结论可供今后参考。
第七章完成了粘滞流体阻尼器的减震控制研究。考察了在这种复杂结构中设置粘滞阻尼器的减震效果。对阻尼器设置位置、数量;有控和无控情况下结构的层间位移角、楼层剪力、倾覆弯矩、基底剪力和扭矩时程;以及单个阻尼器的滞回关系和总体阻尼器耗能情况做了大量计算、对比和分析。给出了相应结论和设计建议,为今后在大型工程项目中,应用该种类型的阻尼器进行设计,提供了参考。