高层框架-剪力墙结构的抗震性能优化分析

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框架-剪力墙结构同时具备了框架结构内部空间大、延性好的优点,以及剪力墙结构竖向承载力和抗侧刚度大的优点,新建的建筑尤其是住宅楼有很大一部分都采用了此种结构。本文主要从剪力墙的厚度和开洞率这两个方面对结构进行抗震性能研究,利用有限元分析软件SAP2000进行分析,得到框架-剪力墙结构的动力响应分析结果,并总结结论为相关工程提供一定的参考。本文在广泛参考国内外框架-剪力墙结构设计相关文献基础上,采用有限元分析软件SAP2000进行了模态分析、反应谱分析和动力时程分析,通过改变其剪力墙结构的厚度与开洞率来对比其静力分析和动力分析下的抗震性能。主要研究内容如下:(1)介绍了建筑结构性能的主要分析方法,重点介绍了动力时程分析法的基本原理和分析过程;(2)在模态分析中,本文主要考察了结构的固有频率、周期、振型参与系数等;(3)在反应谱分析中,主要探究了结构各向在地震作用下的位移值:(4)在动力时程分析中,本文主要研究了参考点之间相对位移情况以及参考点本身三个方向的位移对比;(5)引入能量持时概念,对地震波的一些性质,包括选取方法、调幅方法、强震持时的定义以及反应谱进行了介绍。主要结论有:1、模态分析得到了结构的自振周期频率、振型等动力特性,得到以下结论:(1)从各阶振型图可以得出,结构在X方向的转动比Y方向要强烈的多,刚度κ越大,周期T就越小,在特征周期Tg不改变的情况下,地震影响也就随之增大,于抗震不利,达不到优化的目的。(2)结构在前两阶振型中以平动为主,而在后两阶振型中以扭转为主。(3)在工况3和工况6(剪力墙厚都为300mm)下,在第四阶振型X向下发生了扭转,原因是较厚的剪力墙造成X向和Y向刚度的不均,从而发生了扭转。由此可见一味增加剪力墙厚度是不可取的,在影响整体刚度均衡的同时还会导致剪力墙体积过大,造成经济资源的浪费,达不到结构优化的目的。(4)从6个工况对比中,可以发现随着剪力墙开洞率的增大,壁厚的减小,自振周期增大,从而地震影响系数减小,结构的抗震性能得到一定程度的提高。(5)通过对结构高阶振型动力特性的分析,发现对于整个结构,得到结构的抗侧刚度与该结构地震反应所产生的侧移为非线性关系,在比较经济的情况下(剪力墙体积较小),结构刚度应当满足并接近结构最大允许变形。2、采用了振型分解反应谱法对结构进行了地震反应分析,得到以下结论:(1)在地震力作用下结构在Y方向上层间位移要明显大于X方向,Y方向平均比X方向的层间位移要大39.4%,原因是结构X方向刚度要大于Y方向。(2)结构顶层最大侧移为39.2361mm。对比各工况可以发现,随着剪力墙厚度增大,开洞率减小,结构层间位移角呈现出下降的趋势。(3)采用控制变量法,控制剪力墙厚度不变,可得墙厚对地震力的影响较开洞率要大。所以在剪力墙开洞率和墙厚的选择时需要同时考虑剪力墙结构抗侧刚度和地震反应两方面的影响。(4)从分析结果中可以明显看出,各个工况下结构的最大层间位移角都出现在中间偏下部位,在结构设计过程我们需要适当提高结构中间偏下部位的刚度,实际工程中可以考虑中间偏下部位的剪力墙小开洞甚至是不开洞,其它部位可以正常开洞,这样可以在略微增加剪力墙体积的前提下很好地提高结构的抗侧性能,达到性能与经济平衡的结构优化目的。3、对结构模型进行了动力时程分析,得到了参考点之间相对位移情况以及参考点本身三个方向的位移对比,得到以下结论:(1)由各地震波作用下139节点与144节点三个方向的位移对比可知,对于布置了剪力墙的X方向节点的相对位移非常小,明显要小于剩余2个方向:(2)对比各个工况在4条地震波下的节点位移值和相对位移值显示,在承载力允许的情况下,较大的剪力墙开洞率对于侧向抗震来说是有利的,而剪力墙的厚度并不是一味地增大或减小就能起到较好的减震效果。(3)通过分析罕遇地震下塑性铰发展过程可以发现,剪力墙塑性铰先于框架屈服。在抗震过程中剪力墙充当了第一道防线,框架则为第二道防线,符合结构优化原则。4、在动力时程分析时,合理处理天然和人工地震记录至关重要。(1)本文选取了具有典型代表性的地震波,并进行恰当的调幅,获取其强震持时,通过积分的方式获得了能量累计曲线和相应的反应谱。(2)本文引入了90%相对能量持时,能够较为客观地反应对工程有影响的强震动的持续时间,减少了部分计算量。
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