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巨—子型控制结构体系在竖向地震作用下的响应分析

作　者: 薛荣刚
导　师: 张洵安
学　校: 西北工业大学
专　业: 结构工程
关键词: 巨—子型控制结构体系竖向地震作用非平稳地震动复模态理论随机振动串并联质点系巨型梁层
分类号: TU352.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

巨-子型控制结构体系是一种新的超高层建筑结构形式,它是随着结构工程的发展和控制理论研究的深入,综合利用巨型框架特有的二级结构形式和结构控制的基本思想而提出的,具有良好的自振动控制功能。本文从理论推导、算例分析、参数优化等方面对巨-子型控制结构进行了深入研究,并对结构形式进行了改进,提出了改进的巨-子型控制结构体系。本文建立了在竖向地震作用下,巨-子型控制结构体系的串并联质点系计算模型,运用有限元方法推导了结构动力方程,并进一步对动力方程各矩阵进行凝聚,得到了巨-子型控制结构体系在竖向地震作用下的简化动力方程。运用复模态方法,详细推导了在非平稳竖向地震作用下,巨-子型控制结构体系在频域内的动力响应表达式,并以同本东京市政一号楼为基本模型,研究探讨了这种新型结构体系在竖向地震作用下的动力特性:对巨-子型控制结构体系及其改进形式进行了时程对比分析;然后进一步重点分析了在竖向地震作用下,附加柱数量、巨型梁刚度以及子结构层数等参数对改进的巨-子型控制结构体系动力响应的影响。结果表明:改进的巨-子型控制结构体系与原巨-子型控制结构体系相比,不但可以解决巨型梁层的大跨度问题,而且在竖向地震作用下具有较好的控制效果;附加柱数量、巨型梁刚度以及子结构层数等参数对改进的巨-子型控制结构体系的动力响应均有较显著的影响。最后本文还对巨梁层结构单元的设计进行了相关讨论。本文所得结论为进一步丰富对巨-子型控制结构体系的研究提供了参考依据,并对工程实践具有一定的参考价值。

全文目录

第一章绪论  7-15
  1.1 巨型框架结构体系概述  7-9
    1.1.1 巨型结构组合体系  7-8
    1.1.2 巨型框架结构体系  8-9
  1.2 巨-子型控制结构体系简介  9-11
    1.2.1 巨-子型控制结构体系  9-11
    1.2.2 改进的巨-子型控制结构体系  11
  1.3 竖向地震的重要性  11-12
  1.4 研究背景  12-13
  1.5 本论文的主要研究内容  13-15
第二章竖向非平稳地震动简介  15-21
  2.1 竖向地震简介  15-17
    2.1.1 竖向地震波  15-16
    2.1.2 竖向地震的重要性  16-17
    2.1.3 研究竖向地震的实用价值和现实意义  17
  2.2 非平稳地震动简介  17-21
    2.2.1 平稳地面加速度功率谱模型  18-19
    2.2.2 非平稳地面加速度功率谱模型  19-21
第三章竖向地震作用下的结构动力方程  21-35
  3.1 竖向地震作用下的结构计算模型  21-22
    3.1.1 串联质点系计算模型  21
    3.1.2 串并联质点系计算模型  21-22
    3.1.3 本文计算模型-考虑节点转动的串并联质点系模型  22
      3.1.3.1 基本假定  22
      3.1.3.2 考虑节点转动的串并联质点系模型  22
  3.2 结构体系的运动方程  22-31
    3.2.1 刚度矩阵K  23-27
      3.2.1.1 单元刚度矩阵  23-26
      3.2.1.2 结构总刚度矩阵  26-27
    3.2.2 一致质量矩阵M  27-30
      3.2.2.1 平面桁架单元的一致质量矩阵  28
      3.2.2.2 平面梁单元的一致质量矩阵  28-29
      3.2.2.3 平面刚架单元的一致质量矩阵  29-30
    3.2.3 阻尼矩阵C  30-31
  3.3 动力矩阵的简化  31-35
    3.3.1 刚度矩阵的凝聚  31-32
    3.3.2 质量和阻尼矩阵的凝聚  32-35
第四章随机振动理论概述  35-44
  4.1 随机振动简介  35-36
    4.1.1 随机振动现象  35
    4.1.2 随机振动问题的研究方法  35-36
  4.2 脉冲响应法和频率响应法简介  36-39
    4.2.1 标准系统的脉冲响应函数  36-37
    4.2.2 标准系统的频率响应函数  37-38
    4.2.3 h(t)与H(ω)的关系  38-39
  4.3 复模态分析  39-42
  4.4 系统非平稳随机响应的频域分析  42-44
    4.4.1 非平稳随机激励的协方差函数矩阵  42-43
    4.4.2 模态响应的协方差函数矩阵  43-44
第五章结构体系住竖向地震作用下的响应分析  44-67
  5.1 结构动力响应的分析方法  44-51
    5.1.1 随机振动理论方法  44-48
      5.1.1.1 运用复模态方法对系统进行解耦  44-45
      5.1.1.2 状态变量y_z的均方响应矩阵  45-46
      5.1.1.3 状态变量(?)的均方响应矩阵  46-48
    5.1.2 时程分析方法  48-51
      5.1.2.1 有关计算公式  48-50
      5.1.2.2 计算步骤  50-51
  5.2 算例简介  51-52
    5.2.1 东京市政一号楼结构简介  51
    5.2.2 计算模型  51-52
  5.3 算例分析  52-67
    5.3.1 结构响应的时程对比分析  52-57
      5.3.1.1 地震波的选取  52-54
      5.3.1.2 计算结果及结果分忻  54-57
    5.3.2 附加柱数量变化对结构响应的影响  57-60
      5.3.2.1 非平稳地震动模型  57-58
      5.3.2.2 计算结果及结果分析  58-60
    5.3.3 巨型梁的抗弯刚度变化对结构响应的影响  60-63
    5.3.4 子结构层数变化对巨型梁层响应的影响  63-67
第六章巨梁层结构单元的设计讨论  67-78
  6.1 ANSYS有限元软件简介  67-71
    6.1.1 有限元方法概述  67-69
    6.1.2 ANSYS软件简介  69-71
  6.2 ANSYS有限元分析  71-72
    6.2.1 单元类型的选择  71
    6.2.2 建立模型  71-72
    6.2.3 ANSYS求解  72
  6.3 巨梁层结构单元的力学特性分析  72-78
    6.3.1 不施加附加柱情况  73-74
    6.3.2 施加附加柱情况  74-77
    6.3.3 增加巨梁层刚度对位移的影响  77-78
第七章总结与展望  78-80
  7.1 论文总结  78-79
  7.2 论文展望  79-80
参考文献  80-83
硕士研究生阶段发表论文情况  83-84
致谢  84-85
西北工业大学学位论文知识产权声明书  85
西北工业大学学位论文原创性声明  85

巨—子型控制结构体系在竖向地震作用下的响应分析

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