东方汽轮机厂体育馆组合结构抗震及其地震反应分析

摘要

2008年的汶川大地震是新中国成立以来境内遭受到的最大震级的大地震，烈度之大，影响的范围之广，对我国造成了巨大的人员伤亡和经济损失史上罕见。东方汽轮机厂体育馆位于四川省德阳绵竹市，主体结构是由上部分的钢网架结构和下部分的框架-剪力墙结构组成，这种结构类型本文统称为组合结构，值得讨论的是这样的组合结构经历过高烈度的地震作用后整体结构仍然没有坍塌，甚至大部分构件材料仍然处于弹性阶段，工程师通常在对此类组合结构进行抗震设计时会把两部分结构体系分开考虑、分开计算，这样的计算难以真实反映两种结构体系的协同作用。考虑到工程实例的特殊性，通过对组合结构进行整体建模和系统分析，笔者通过学校的资源收集到汶川地震时观测台收集到的地震波数据，深入研究体育馆的抗震性能，并与设计之初的结构响应进行比较，分析讨论其响应差异，并对往后的钢网架-钢筋混凝土组合结构的抗震设计提出建议。本文以东方汽轮机厂体育馆为研究对象，借助Midas gen和Sap2000建立整体和单独模型，对比不同支座条件和不同地震波激励情况下部分构件的内力和位移的响应情况。本论文主要工作如下：　　①利用存留的建筑施工和结构施工图纸，在Midas gen和Sap2000两款有限元分析软件上建立单独和整体模型，利用特征值分析得出的计算结果，分析自振频率和模态，比较两款软件的计算数值差异验证模型的正确性。　　②查看原工程设计图纸，定义计算原支座参数，并且设置固定铰支座，通过反应谱的动荷载作用比较两种边界条件下的内力和位移，得出更好的边界条件选择作为结构的优化。同时利用反应谱分析法对单独的钢筋混凝土结构和钢网架-钢筋混凝土结构进行分析比较，得出组合分析和单独分析的差异。　　③在美国太平洋地震工程研究中心(peer)的数据库收集到2条符合体育馆设计之初抗震设防烈度等级的天然波并且进行调幅，结合单维和多维的时程分析，验证其整体结构在动力地震作用下的安全性和适用性，并且用原有的弹性支座和新设置的固定铰支座作为边界条件进行对比。　　④为了真实模拟体育馆在汶川地震时的响应状态，本文笔者通过学校的资源收集到了2008年5.12时从绵竹和卧龙观测台记录到的2条天然波并且进行调幅，对体育馆的整体结构进行了弹塑性分析，并且根据铰的屈服情况和实际情况相对比来验证模拟的正确性，并且通过结构的受力特点给出罕遇情况下结构仍保持绝大部分构件处于弹性状态的主要原因，给往后的组合结构抗震分析设计提供参考。

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 国内外空间网架结构的发展概述

1.3 组合结构协同作用的研究现状

1.4 大跨度空间结构的地震反应分析方法

1.4.1 振型分解反应谱法

1.4.2 动力时程分析法

1.4.3 静力分析方法

1.5 本文主要研究内容

2 结构方案与模型建立

2.1工程背景

①下部混凝土结构主要构件及材料

②上部大跨度网架结构主要构件及材料

2.3 结构主要设计特点与设计依据

2.3.1看台直线型框架

2.4.1 概述

2.4.2 模型建立

2.4.3 定义支座参数设置

2.4.4 荷载作用

2.4.5结构选型

2.5 本章小结

3 东方汽轮机厂体育馆反应谱分析

3.1 振型分解反应谱法概述

3.2 网架-混凝土组合结构振型分解反应谱法必要性

3.3 东方汽轮机厂体育馆振型反应谱分析

3.4 下部钢筋混凝土结构振型反应谱分析模型正确性验证

3.4.1看台直线型框架

3.4.2 结构周期特性

3.4.3 结构各楼层质量比

3.4.4 结构层间剪力（反应谱分析）

3.4.5 结构层间位移角

3.5 体育馆组合结构振型分解反应谱分析

3.5.1 应变能因子

3.5.2 整体自振分析

3.5.3 自振周期分析

3.5.4 节点位移

3.5.5 层间位移角

3.5.6 楼层剪力（反应谱分析）

3.5.7 体育场馆整体倾覆力矩（抗规方式）

3.5.8 体育场馆类短柱问题

3.5.9 钢网架结构位移

3.6 本章小结

4 东方汽轮厂体育馆动力弹性时程分析

4.1.1 地震时程曲线选择

4.1.2 地震波选择基本原则

4.1.3 东方汽轮机体育馆地震波选择

4.1.4 地震动记录幅值调整

4.2 下部钢筋混凝土结构弹性时程分析结果

4.2.1 不同地震时程曲线作用下结构底部剪力与振型分解反应谱法底部剪力值比较

4.2.2 不同地震时程曲线作用下结构层间位移与位移角

4.2.3 不同地震时程曲线作用下结构个别节点位移

4.2.4 剪力墙边缘构件顶点节点位移

4.3 体育馆组合结构整体模型弹性时程分析

4.3.1 组合结构弹性时程分析不同地震时程曲线作用下结构底部剪力与规范比较

4.3.2 不同地震时程曲线作用下组合结构层间位移指标

4.3.3 不同地震时程曲线作用下钢网架结构位移

4.3.4 橡胶支座节点相对位移

4.3.5 剪力墙边缘构件顶点节点位移

4.4 本章小结

5 东方汽轮机厂体育馆在九度区弹性时程分析

5.1 确定地震烈度

5.2 汶川地震波信息

5.3 九度多遇地震下部钢筋混凝土结构弹性时程分析

5.3.1 九度区不同地震时程曲线作用下结构基底剪力与规范比较

5.3.2 不同地震时程曲线作用下结构层间位移与位移角

5.3.3不同地震时程曲线作用下结构个别节点位移

5.3.4 剪力墙顶点边缘构件位移

5.4 九度区多遇地震体育馆组合结构整体模型弹性时程分析

5.4.1 不同地震时程曲线作用下组合结构基底剪力与规范比较

5.4.2 九度多遇地震不同地震时程曲线作用下结构层间位移与位移角

5.4.3 九度多遇地震不同地震时程曲线作用下钢网架结构位移

5.4.4 九度多遇地震下橡胶支座节点相对位移

5.5 本章小结

6 九度罕遇地震结构弹塑性时程分析

6.1.1 九度罕遇地震下地震波调幅

6.1.2 九度罕遇地震作用下的层间位移角

6.1.3 不同地震时程曲线作用下结构个别节点位移

6.1.4 剪力墙边缘构件顶点位移

6.2 九度区罕遇地震体育馆组合结构整体模型弹性时程分析

6.2.1 九度罕遇地震不同地震时程曲线作用下结构层间位移与位移角

6.2.2 九度罕遇地震不同地震时程曲线作用下钢网架结构位移

6.2.3 九度罕遇地震下橡胶支座节点相对位移

6.2.4组合结构剪力墙边缘构件顶点节点位移

6.2.5 本节小结

6.3.1 材料强度取值及本构关系

6.3.2 塑性铰定义

6.3.3 东方汽轮机厂体育馆弹塑性时程分析

6.3.4 九度罕遇地震作用下层间位和层间位移角

6.3.5 节点位移

6.3.6 结构破坏形式损伤情况

6.3.7 结构能量曲线

6.4 本章总结

7 结论与展望

7.1 主要工作及结论

7.2 后续工作和展望

参考文献

附录

致谢