河北工业大学硕士学位论文考虑地震动扭转分量时异型结构的抗震性能分析姓名：张俊华申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：徐东强20081101河北工业大学硕士学位论文 i 摘摘 要要 本文通过弹性波动理论，建立起地面扭转分量与平动分量傅氏谱之间的关系，求得扭转分量傅氏谱,然后对扭转分量傅氏谱做傅氏逆变换,即可得地面扭转分量的时程。根据上述方法，利用 matlab 软件并自编程序得到了宁河波的扭转分量、Ei centro 波的扭转分量的时程曲线以及功率谱曲线，并对比分析了扭转分量与平动分量的特性的异同。 通过以上工作，将宁河波扭转分量的时程曲线利用于异型柱结构的抗扭性能的分析。针对纯等肢异型柱、不等肢异型柱和矩形柱三种钢筋混凝土框架结构计算了各结构在双向及扭转作用、双向地震作用、单向地震作用三种工况下的各层的最大位移、最大剪力、底层的轴力。并得出以下主要结论： 1.扭转加速度与水平加速度的幅值变化趋势一致，扭转加速度的最大值出现的时间比水平加速度提前了一段时间，但是最大加速度出现的时间段一致。 2.扭转加速度时程含有高频成分，衰减比较慢。 3.异型柱结构的抗扭性能比矩形柱结构的抗扭性能有所减弱，尤其是不等肢异型柱结构对扭转作用的抗力最小，不等肢柱的抗扭性能比等肢柱的抗扭性能减弱。 4.大跨度结构对扭转作用的影响比小跨度结构明显增大，对于层高不大的结构应该进行扭转地震作用的考虑。对于高柔结构可以不考虑扭转地震作用的影响。 关键词关键词：地震扭转分量，异型柱框架，双向及扭转地震，抗扭性能 考虑地震动扭转分量时异型结构的抗震性能分析 ii THE ANALYSIS OF SPECIAL-SHAPED COLUMN FRAME STRUCTURES TORSIONAL CAPABILITY WHEN CONSIDERING THE ROTATIONAL COMPONENTS OF SEISMIC MOTION ABSTRACT Through the elasticity theory, I establishes Fourier relations between the ground rotational and stable component,obtains the rotational component Fourier spectrum, through the IFourier transformation, obtains the rotational component time-history. Aaccording to the above method, use MATLAB and edit program by myself to obtain rotational component of ning he wave and Ei centro wave , and both power spectrum.then comparise their different. I analsys the biggest displacement、the biggest shearing force and the first floor axle strength of three different structures(such as amputation of the special-shaped columns.inequiaxial increase support for the special-shaped column)under three seismic motion loads,namely the bi-axial stable motion components and the rotational components、the bi-axialstable motion components 、the unidirectional stable motion components .And draws the following conclusion: 1.The amplitude of rotational component and stable component is similar, the peak amplitude is nearly the same time section,but the rotational component is earlier than stable component. 2.The rotational component includes the high-frequency components, weakens is quite slow. 3.The special-shaped column frame structures rotational capability is wakened compared to the rectangular column structure, Especially the unequal limb length structures. The special-shaped column frame structures torsional capability is wakened compared to the rectangular column structure. 4.The great span structures twisting influence is increased obviously to comparing to the small span structure,The buildings,which are not very haigh,should be considered the bi-axial horizontal components and the rotational components.but the flexible buildings may not. KEY WORDS: rotational components、special-shaped column frame、bi-axial and rotational components、torsional capability 河北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 第一章 绪论 地震是地球内部能量的突然释放。据统计，世界每年发生地震次数平均达 500 万次之多，其中，具有破坏性的地震超过了 1000 次。我国东临环太平洋地震带，西南接欧亚地震带，同时受太平洋板块、印度洋板块和菲律宾海板块的挤压，是一个地震分布范围广，发生频率高的国家。有史以来，震级在 7级以上的地震就有近百次。仅 20 世纪后，我国就发生 9 次震级大于 8 度的强震。1556 年陕西关中大地震，仅有名可查的死亡人数就达 83 万；1920 年宁夏海源大地震中死亡人数达 20 万之多；1976 年唐山大地震死亡人数达 24 万，几乎所有建筑物坍塌；1999 年台湾集集大地震死亡近万人，直接经济损失高达 1000 亿新台币。由于地震通过地震波释放巨大的能量，因此发生地震时会对地面上的事物产生巨大的破坏。从而造成人员伤亡和社会的物质财富的损失。地震灾害作为一种自然灾害，它对社会生活和地区经济发展有着广泛而深远的影响， 认识地震灾害的特点对于做好防灾减灾工作是十分重要的。 地震灾害的特点为：突发性、破坏面积广、区域性强、具有续发性和多发性、具有灾难性、具有社会性和救灾艰巨性等。 地震给人类社会造成的主要危害主要表现在两个方面： 一方面是由于地震作用致使建筑物破坏甚至倒塌造成人身的伤亡和财产的损失， 另一方面是由地震引起的火灾、 水灾等次生灾害破坏了人类赖以生存的自然环境，造成严重的后果和社会影响。这些危害主要源于房屋和各种工程结构的破坏和倒塌，这就迫使我们不得不去对结构抗震设计进行深入的研究。 1-1 结构抗震设计方法的研究现状结构抗震设计方法的研究现状 结构抗震设计理论作为一门科学来研究还不到百年， 随着科学技术的发展和人们认识地震对建筑结构破坏作用的不断深化，特别是近几十年来，地震检测、人工模拟地震实验装置和电子计算机的广泛应用，结构抗震设计理论得到了迅速的发展。 自 1899 年日本学者大森房吉首次提出用于结构抗震设计的静力法以来，结构的反应分析方法经历了从静力法到动力的反应谱法和动力时程分析法这三个阶段变化过程， 在动力阶段中又可分为弹性与非弹性(非线性)两个阶段。根据所考虑的地震动特点，结构地震反应分析方法可以分为确定性方法和随机振动方法。 确定性方法利用地震记录或由其他方法确定的地震波进行结构的地震反应计算， 随机振动方法则把地震视为随机过程，把具有统计性质的地震动作用在结构上来求出结构的反应。到目前为止，国内外的抗震设计规范绝大多数都采用确定性方法。 其发展大致经历了以下三个阶段： (1)静力理论阶段 1920 年由日本大森房吉教授提出，假设建筑物为绝对刚体，地震时它与地面一起运动而无相对与地面的位移。 建筑物各部分都有一个与地面加速度大小相同的加速度， 取最大加速度用于结构抗震设计。则作用于 mi 点上的地震作用力为： 1考虑地震动扭转分量时异型结构的抗震性能分析 igi giikGggxmxmF=max maxxgmax iF原 结 构静 力 计 算 简 图图 1.1 静力理论简图 Fig 1.1Static theory sketch 式中 k地震系数，是地面最大加速度与重力加速度的比值，Gi集中在第 i 楼层的重量。 上述方法比较简单，这种方法忽略了结构本身动力特性的影响，对于低矮的、刚性大的建筑是可行的，但对多、高层建筑（柔性结构物）则会产生较大误差。 (2)反应谱理论阶段 1943 年，M.A.Biot 提出了反应谱的概念，并给出了世界上第一条弹性反应谱曲线。G.W.Housner于 1948 年提出基于加速度反应谱曲线的弹性反应谱曲线，1956 年 N.M.Nemark 率先将该法应用于实际工程设计，并在实际地震中得到了验证，自 1958 年第一届世界地震工程会议之后，反应谱法被许多国家所接受，并逐渐被采纳应用到结构抗震设计规范中。我国 1959 年的抗震规范草案就采用了反应谱理论并在以后的各次规范修订中不断完善和发展。 在弹性反应谱的概念提出不久之后， 就提出了非线性反应谱的概念，试图将这一简单的概念应用于非线性地震反应分析中，目前，除新西兰抗震规范采用非线性反应谱以外，非线性反应谱基本没有直接得到应用。 xg(t) 图 1.2 单 质 点 体 系 Fig 1.2 Single point particle 对于单质点体系，反应谱理论认为其所受到的地震作用为： GkF= G：结构的重量；k：地震系数；：动力放大倍数。上式与静力理论阶段多了一个动力系数。考虑了结构的动力特性，随结构自震周期的变化而变化，如下图 1.3 2 河北工业大学硕士学位论文 (s)(结 构 自 振 周 期 ) Tg（ 场 地 卓 越 周 期 ） 图 1.3 与 周 期 的 关 系 Fig 1.3 The relationship between and period 对于多质点体系 第N振型第三振型第二振型第一振型原结构动力计算简图振型分解图 1.4 多质点体系 Fig 1.4 multi-point particle 反应谱理论将多质点体系的结构振动分解成 N 个独立的等效单质点体系的振动，应用抗震设计反应谱理论求出前几个振型的最大地震反应，按照一定的组合原则求出结构的地震总反应。 振型分解法有效的将单质点的反应谱理论用于多质点体系的抗震计算振型分解反应谱法是当前工程设计中应用最广