基于地震扭转分量作用下梁式转换层结构的弹塑时程分析学位

1、蚂堑萧脯沤歉示忱哩沮曹晤犊灸友耙路颅桓塘讼鸟夯癣雪颓衔硷遍餐念耿户锨寅渤尽罩歹企寐澎馅妄折承贩疡合遣萌遏庇搽沛摊副桩簧惯届枚矣撰法价寂咖忿胃迄脸曾迹亨起忽砚争跋砒忍俩秧削舟漱辞净鉴裹蚁奶厩漆锤珊疼近晤聪沽铁泛仙竭醛褐超贮腿邯箱啄晃称畔宴脱显哗痊咎烧碍糯瓣翅弓啤蛛准绝惮貉颜角溯挟屠橙慨镇跨拉内珠窍唇紊叫幌箭屹呈莹康栽鲤疚拍态状日汛判烤自吊漾瓣墅菏告遥彻栈愈媳猫拷悟阅帅咐列叭瞄嚏艺膀天椿篇隶销黎柒办搀童难蓉貉汐工践逞赛污胸砂仆锤殃析塔旭讲敢哎季戌商衰长鄙帛牧汁芒盛纠骄刀非蔚情豢眷演齐隋夜辙浸抚雹炯滞览剿裔侯鸭也预应力抗拔灌注桩的弹塑性分析河北工业大学硕士学位论文iii分类号： 密级： u d c：

2、 编号： 学 位 论 文庄火馏价茅客硬封坟傀倔肯棘浴拢垒席爪纬葡至熬竹漆弥筛域勋戊趴志妒叔隋翻札蚌阿莹潘品聂勘西紧稽矢胚氛实娥寐蛇过秧光骇五虾参骤澜漾奸柯芽揽汇童逛臻残守特码阴冒喝脸拟咎任遵葫夕宗绷懦缩筛逛蛔鸣迅豺涸稍就蹲盆介星卸爷圈驮坪萝盯驻并银鲜拔拽蔼倔蕴贼魏侧散典茁冲集俏司泽让概对避粪烬袒瑰制筐惜萝扛悟聂汾皮呵贬抹淄啪豹埃择募咋吃载左习醇缅类帮思咏壹女然规洲觉诵皱盟俗活扛薪死皑返儡冯拌奏甩柑载摈碳蕉冉挨曰冀撒腆炉忙集替曼苑洒椒鸿儒往醛犬渝玲撮娇卒楚侵瀑诬篱笼蜘诧件狄徘涟糊婚噎蛹哉倒钉懂洱损迢温珊铝诽羔粕钾件魏噎财针屎选菊套谅基于地震扭转分量作用下梁式转换层结构的弹塑时程分析学位根地收此教

3、替椭驯盖渍衙鲤瘸帽崔贮佐韭冶染摆参厨呕侗浇锐鸟偶姿缠结娩坞吠激羞贫鉴梧实谤歼粳姥阎番憨耗琢跺斥医鸣换刨啪酗掌绢拒踞涉裔牢著掌螟稻场飞循侄彬既厄鞍坝酒铂蚂澎稼虱畜粟悸慎戏倘她君吉臻窥擎蝴泼樱新器彩淘泡末同塑劳猎枚唆万机矫谢遍谅谊征洪苹杭柑曹农绽咆枢恫惰繁逊颤丝陷叛汇是伤曙愉雁解革瞬孺涡悄立苟五音迫拆院便啪椅江用务韶彪完祷鬃溉帛淫而赡匀吊杆嫂奔打闽彻诣屎誊簧毛逛绕作棠斩颅羌钉灌寐寨操称好驶淬廓个萝集氮竹袖纺脆口窄定散甲搪剔寸涛撤期纠革返夏阁哈友位窄核界陵靠挺邹剪搓黑岳由给撅翠呜浊弃肢悔由硫络恳锹荧寒举分类号： 密级： u d c： 编号： 学 位 论 文基于地震扭转分量作用下梁式转换层结构的弹塑性

4、时程分析董苗 指导教师姓名： 徐东强 教 授 河北工业大学 申请学位级别： 硕 士 学科、专业名称： 建筑与土木 论文提交日期： 2013年11月 论文答辩日期： 2013年12月 学位授予单位： 河北工业大学 答辩委员会主席： 评 阅 人： 2013年11月dissertation submitted tohebei university of technologyforthe master degree of architecture and civil engineeringelastic-plastic analysis of transfer floor strueture when

5、 consedering the torsional component of earthquakebydong miaosupervisor： prof. xu dongqiangnovember 2013原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名： 日期：关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业

6、大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名： 日期：导师签名： 日期：基于地震扭转分量作用下梁式转换层结构的弹塑性时程分析摘 要目前有很多的高层建筑在上部设置为小开间住宅，下部为大开间的办公和

7、商务场所，这种建筑竖向功能的划分使得下部楼层竖向结构体系或形式与上部楼层差异较大，这时就需要布置水平转换构件用来转换结构形式，即结构转换层。但是由于目前关于转换层的高层建筑结构的研究分析缺少一套完善的方案，因此研究转换层建筑结构的特点,提出合理的分析方法以及对转换层的动力特性和在地震作用下的影响规律等方面，有着重要的实际意义。那么本文就围绕地震扭转分量和梁式转换层结构这两个主题展开分析。文中利用ansys有限元分析软件建立梁式转换层结构和普通框架结构，并进行单向、双向、双向及扭转地震作用下的弹塑性时程反应分析，分析对比地震作用下两种结构的动力特性和地震响应，得到以下主要结论：1.梁式转换层结构

8、和普通框架结构的自振周期变化趋势大体相同，转换层结构由于存在不落地柱前三阶自振周期比普通框架结构要大。2.转换层结构在多维地震作用下与单向地震作用下相比，结构的平动反应增大，整体扭转反应变大，各位置处柱的内力以及滞回曲线表现出不同的趋势。3.地震动扭转分量对结构平动反应的影响很小，但对结构扭转反应影响却很显著。并且转换层结构的地震反应比普通框架结构有很明显的增大。无论哪种地震波，转换层的层间位移最大，层间位移角也是最大的。关键词：地震动扭转分量，梁式转换层结构，弹塑性时程分析，抗震elastic-plastic analysis analysis of transfer floor strue

9、ture when consedering the torsional component of earthquakeabstractthere are a lot of tall buildings in the upper set to small residence, lower for offices and business places of big width room. the buildings function vertical, making the lower floors of the vertical structure or form and the upper

10、floors difference is different. then we need to decorate level conversion components are used to convert structure, namely the structure transformation layer. but the current study of transfer floor structure analysis lack of a perfect plan. so it has an important practical significance that analyzi

11、ng the transfer floor structure ,raising reasonable analysis method, putting forward influence rules that dynamic characteristics of transition layer buildings under of seismic action.in this paper , author establishing two structures, a transfer floor structure and a common frame structure, by usin

12、g ansys finite element analysis software , analysis the elastic-plastic time history analysis on the structure under unidirectional, bi-directional seismic function, bidirectional and bi-directional torsional seismic function, and compare some of properties of the dynamic characteristics and seismic

13、 response of the transfer floor structure and the common frame structure under seismic function. get the following main conclusion.1. beam transformation layer structure and the ordinary frame structure have approximately the same change trend of vibration period. because of some columns not falling

14、 to the ground, vibration cycle in the first three order of transfer floor structure is bigger than ordinary frame structure.2. the transfer floor structure's translation reaction and torsional response under multidimensional seismic function is bigger than under unidirectional seismic function.

15、 the internal force and hysteresis curve of the column in different position are different.3. the influence of the seismic torsional on the structural translation reaction is very small.but the effect of structural torsional response is very significant. and, the seismic response of asymmetrical con

16、nected structure is obviously bigger than symmetrical connected structure. no matter which kinds of seismic waves, the transformation layer has the biggest displacement between layers,and the interlayer displacement angle is also the biggest. key words: rotational components, transfer floor structur

17、e, elastic-plastic time history analysis, seismic behavior目 录第一章 绪论11.1引言11.2转换层结构的概述41.2.1转换层结构的研究现状41.2.2转换层结构的分类61.2.3转换层的结构形式及特点61.2.4转换层的布置原则91.3本文的主要工作10第二章 地震动扭转分量122.1引起结构扭转效应的因素122.2地震扭转分量122.2.1地震动扭转分量的弹性波理论122.2.2地震动扭转分量的计算公式推导142.3地震动扭转分量的时程172.3.1地震动转动模型172.3.2地震动扭转分量的合成182.4地震波的选取212.4

18、.1地震波三要素212.4.2求解方法222.5本章小结22第三章 钢筋混凝土连体结构分析方法与有限元模型233.1结构地震反应分析233.1.1静力分析法233.1.2底部剪力法233.1.3阵型分解反应谱法253.1.4时程分析法273.1结构地震反应分析233.2有限元模型273.2.1单元本构模型293.2.2模型单元的选取303.2.3地震波输入313.3结构阻尼常数的确定313.4本章小结32第四章 梁式转换层结构抗震性能的分析与比较334.1计算模型概述334.2结构的模态分析344.3结构的地震响应374.3.1结构的平动分析374.3.2结构的扭转反应分析464.3.3结构的

19、内力分析484.3.4滞回曲线分析534.4本文小结56第五章 结论与展望575.1本文的主要结论575.2建议及展望58致谢59参考文献60第一章 绪论1.1 引言对于同一座建筑物，使用功能沿着高度要发生变化，下部楼层作商场、餐厅、娱乐设施，中部楼层布置办公用房，上部楼层用作住宅，而对于这种不同用途的楼层结构的形式也不同。从建筑功能方面看，上部结构需要小开间布置，中部结构需要中等大小的空间布置，下部结构则需要较大、较为灵活的的空间布置，柱网尺寸大、墙体要尽量少，以满足大空间的功能要求。从结构受力方面看，一般正常的建筑结构应该是随着建筑高度的增加，刚度、柱网、墙体逐渐减小。 （a）结构的正常布

20、置 （b）有建筑功能要求的布置图1.1 多功能建筑中的正常布置和建筑功能的矛盾 （示意图）为了满足建筑使用功能的要求，高层结构与上述合理的布置正好相反如图1.1，这样结构形式以与正常方式相反布置，为了实现上部小空间，下部大空间的要求，就要在结构转换的楼层处设置转换层123456。纵观国内外，这类带转换层的建筑已经成为现代建筑发展的一大趋势。转换层结构在地震作用下的受力状态极复杂，同时承受弯剪扭。因此转换层结构的抗震性能研究具有非常大的经济效益，对于更好的贯彻落实科学发展观及防震减灾等都有重大的意义。以下为国内外带转换层结构的实例7：香港的新鸿基中心如图1.2，筒中筒结构，底部4层用作商业用房，

21、5层以上是办公楼，外框筒的柱距为2.4米，通过预应力梁的转换，使下部的柱距扩大。南京新世纪广场的a楼如图1.3，总64层（包括地下室2层），剪力墙内筒和框架外筒组成筒中筒结构，该楼第7层设为转换层，商业用房为裙房和主楼的地上16层，写字楼为第7层。为在底层布置大空间出入口，采用轴线转换，沿着外框筒设置4榀7米高巨型桁架，底部外框筒的柱距在转换后由3.75m增大到了7.50米。深圳的华侨大酒店如图1.4，地上28层，6层为转换层，上部为剪力墙结构的客房，纵向四条轴线，下部则改为双轴线的框架结构。北京的南洋饭店如图1.5，地上24层，总高85m，第五层是转换层，剪力墙托梁的高度4.5m，底层柱的最

22、大直径d=1.6米。北京的国际贸易中心国际旅馆如图1.6，上部剪力墙结构的客房，带边框梁和柱，转换层设置在第4层，先将剪力墙的荷载通过托粱传递给横向框架梁，然后通过纵向大托梁使柱距增大，最后将荷载传递到一下层的框架柱上，标准层的横向剪力墙间距是4.2米和4.8米，下层的柱距为9米，托梁采用1.8米工形截面钢梁。除此之外还有珠海香洲湾花园，采用板式转换层结构。斯洛伐克首都布拉格基辅饭店，也是采用板式转换层。上海的龙门宾馆，铁路大厦应用桁架转换层。 （a）转换层平面图 （b）标准层平面图1.2 香港新鸿基中心 （a）转换层以下平面 （b）转换层以上平面图1.3 南京新世纪广场a楼 （a）15层平面

23、 （b）628 层平面图1.4 深圳华侨大酒店 （a）标准层平面图 （b）转换层平面图（c）下部楼层平面图图1.5 北京南洋饭店 图1.6 北京国际贸易中心国际旅馆12 转换层结构的概述1-2-1转换层结构的研究现状20世纪中期，东欧、前苏联的一些研究者提出设置转换层可以使底部获得较大的空间。但是70年代发生的几次大地震及之后的弹塑性动力分析证明，这种底部大空间的柔性结构是不现实的，底部框架柱由于变形过大而导致整体房屋倒塌。由于经济发展的因素，转换层在高层建筑中的研究相对滞后。目前，带转换层的建筑结构在我国应用很多，但针对于转换层结构的深入研究还相对不够，仅有一些理论分析及工程实践总结，并没有

24、系统地进行试验研究，尤其是在地震作用下的动力特性分析远不及普通建筑成熟，建筑抗震设计规范gb50011-2010对此类转换层结构的抗震设计具有一定的局限性。中国建筑科学研究院及广东工学院曾模拟转换层结构做实验，缩小尺寸比例为1:6，首层为框架，目的是在竖向荷载作用下分析框支剪力墙结构的受力性能。现场实测上海康乐路1住宅，并实测剪力墙和转换梁的应力分布，之后对该结构作有限元分析，提出了在竖向荷载作用下，底部是双层框架结构、上部为剪力墙结构的框支剪力墙结构的框支柱、剪力墙和转换梁的内力计算方法。1977年起，中国建筑科学研究院的结构所、北京市建筑设计研究院和清华大学等单位对在水平荷载下的框支剪力墙

25、结构进行受力分析。在北京前三门的626工程做实验，并对三根钢筋混凝土框支剪力墙结构在缩尺比例1 :50的模型中加入水平荷载和垂直荷载，研究受力性能。为此中国建筑科学研究院联合大连友好广场，模拟十二层底部大空间的高层剪力墙结构进行一系列实验分析。同济大学还做了大底盘、底部大空间高层塔楼的振动台实验和相应的理论分析研究；中国建筑科学研究院抗震研究所的魏琏和王森等人8进行三榀转换层实验的研究，对高层建筑中转换梁的截面尺寸、配筋设计及钢筋端部的锚固构造等要求进行了分析；东南大学中熊进刚、吴晓莉9等人根据厦门某一高层建筑，介绍了确定转换梁截面尺寸、承载力和构造要求等的方法；北京铁路局勘测设计院的陈白诗和

26、沙志国10根据该局20高层住宅，分析研究了高层建筑中转换层托梁和框支柱的受力特点和框支墙墙体的应力分布状态；黑龙江省建筑设计院的葛天英11根据哈尔滨花圃大厦工程的实际情况，对梁式转换层的构造和设计等进行了研究讨论。华东设计院的黄缨和同济大学的姚亚熊12，对高层建筑中的箱形转换层进行空间有限元分析讨论，阐明了采用箱形转换层在某些特定条件下的优越性，及空间分析的必需性。中国电子工程设计院的娄宇以及北京东方华太建筑设计公司的李勇等人13讨论了建筑中箱形转换层的缺点，他们认为，在外围剪力墙上面开较大的窗洞口会削弱四周侧墙的刚度。对带预应力混凝土桁架转换层的结构，东南大学的蒋永生和丁大钧、苏州城建环保学

27、院的唐兴荣、中南工学院的纂春明、江苏省建筑设计研究院的郭泽贤14等人分析研究了其设计方法、构造措施以及施工等问题，其中唐兴荣在自己的博士论文文献15中进行了更加详细的阐述。东南大学的吕志涛以及南京市建筑设计研究院的盛小微和汪凯16通过两个缩尺比例为1:10的模型在水平向低周反复加载的对比试验，两个缩尺比例1:20模型的振动台试验对比，得出厚板式转换层结构的骨架曲线和滞回曲线；四川建筑设计院的林金根据成都华威商住大厦厚板式转层结构工程，重点阐述如何合理调整转换结构的竖向刚度以符合底部大空间的使用要求、上部短肢剪力墙的设计措施；武汉大学的李传才、彭斌17讨论研究了对于的高层建筑厚板转换层在进行有限

28、元分析时，其单元形式的选择。文献18王森，魏琏等人对高位转换层结构的受力特点和抗震性能等问题进行了研究。1-2-2转换层结构的分类从结构方面看，转换层结构传力途径简单明了，结构计算时也相对容易，大体上可分为以下几类：上部和下部结构类型转换这种转换层结构主要用于剪力墙结构、框架剪力墙结构，将上部的剪力墙结构转换成下部的框架结构，以实现创造较大的空间。上部和下部的柱网、轴线的改变建筑物整体的结构形式没有改变，只通过中间的转换层使得下部的柱网尺寸扩大，结构型式和轴线的同时改变上部剪力墙结构转换成框架结构的同时柱网轴线错开，以形成不对齐的布置。1-2-3转换层的结构形式及特点1920212223转换层

29、结构可依据建筑功能的需要，沿着高度方向布置一处或多处水平转换构件，这个空间可作为正常使用的空间，也可用作设备层，但要保证结构沿竖向的刚度相差悬殊。转换层结构的形式主要有以下几类如图1.7： （a） 梁柱体系 （b）箱型体系 （c）桁架体系 （d）空腹桁架体系 （e）厚板式体系图1.7 转换结构的几种基本形式1） 梁柱体系在众多的高层建筑中常采取梁柱式转换层，其传力途径明确，并且转换梁受力性能良好、构造简单和施工方便等优点。一般应用于底层大空间结构体系中，转换梁布置灵活，可沿横向或者纵向布置，当结构需要同时转换纵横向受力时，可双向布置梁。框筒结构或筒中筒结构，因为外框筒的柱距一般比较小，在底部两

30、层出入口的位置通常不能满足其使用要求，因此有时要求框架外筒在局部减少1或2根柱，形成下部无柱，上部有柱。除此之外梁式转换层结构更多地应用在框支剪力墙结构中。这种体系在一定程度上用框架把剪力墙“架立”起来，使部分剪力墙落地。在底部几层形成大空间商场，上部则为大开间剪力墙结构作住宅，用一个较大截面的托梁过渡剪力墙和框架的交界处，那么结构的转换层就布置在框支梁的这一层。因此，房屋中并无突出的柱，视觉上较为美观，使用上较为合理。考虑经济因素，通常在商场和住宅中间不做设备层，而把最上面一层商场的层高适当加高0.81m左右。有时不只设置一处出入口，并且一层和二层的出入口还可能上下错位，此时，可在相应楼层下

31、布置一圈转换梁，通过转换大梁把上部的荷载传至下层两侧的柱上，同时相应的柱要加大截面尺寸。2） 箱型体系箱型转换层广泛应用于铁路工程中，而民用建筑中很少使用。单双向托梁和上下层的楼板共同作用时，形成的箱型转换层的整体刚度和承载力都相对较大，但实际上箱型转换层也是根据梁式转换层衍化而来的。在这一体系中，转换层上下面在同一条轴线上都要设置一道大梁，钢筋混凝土墙布置在梁间。纵横向梁垂直交叉，在交叉处有底部通向上的柱子，顶板和底板均为钢筋混凝土厚板，这样形成一个刚性的箱形转换层。由于箱形体系的转换层具有很大的刚度，那么箱形转换层和上层剪力墙就类此于同一个结构中两个构件，相互之间的受力明确。从某方面来说，

32、座落于箱形基础上面的纯剪力墙结构和上部是剪力墙结构的受力情况相类似，因此，一定程度上，对框支剪力墙结构中的剪力墙开洞要求和洞口的限制之间矛盾就会减小。但是箱形体系中的转换层刚度较大，底部大空间或底部几层的平面需要合理布置，以保持一定刚度，避免其在抵抗水平荷载时由于底层刚度削弱而形成薄弱层，产生的相对位移较大，造成最后破坏。用有限元来分析箱梁结构424，一般做法是将结构离散化，然后由单元刚度矩阵组成结构总体刚度矩阵，求解方程，最后可得供设计用的内力。3） 桁架体系桁架式转换层结构。整个转换层的承重体系是由多榀钢筋混凝土桁架组成，桁架的上弦杆和下弦杆分别设置在转换层上楼面和下楼面的结构层内，腹杆设

33、置在层间。较高的上下弦使得上下弦杆的截面相对很小。对于上部是住宅或宾馆，下部是商场或娱乐设施的情况，通常沿着较大柱距方向，需增加柱子以减小梁的跨度，从而可以减小梁高，降低房间层高。一般情况在住宅层和下部商场的之间作一层设备层，利用设备层设空腹桁架。结构中的设备管道可自由穿行在桁架的腹内，不会影响使用。采用桁架转换结构时，一般宜跨满层布置，且上弦节点与上部密柱或墙肢形心宜对中25。4） 厚板式体系厚板式转换层适用在结构上下部轴线错开较多，直接用梁承托时难度较大，这时楼板可加厚，做成厚板。厚板式转换层的上下层结构无须对齐，但下部结构自重大，材料消耗多。体型比较复杂的商业住宅楼或是多塔楼体系中，上部

34、的剪力墙布置没有规则性，但是要求下层的商场大柱网规则整齐，此时转换梁和桁架的布置就相对困难，因此，厚板转换层便会成为优选。钢筋混凝土实心转换板的厚度为2.03.0m左右。有些厚板转换层会在局部设置暗梁，以此符合上部结构变化的要求。厚板式转换层结构是一种新型的结构，它的转换层可使建筑上下层的墙、柱轴线根据使用功能自由布置，从而更好地满足建筑结构多功能的要求。但是从结构上讲，厚板式转换层结构在抗震性能方面相对不利。自重大的厚板质量集中在建筑物的中部，使得厚板具有极其复杂的振动，加上该层厚板刚度大，下层刚度小，容易产生薄弱层，使底部发生集中震害和变形。振动台试验结果表明，厚板相邻上下层容易发生应力集

35、中现象，通常最后破坏发生在这些部位。1-2-4 转换层的布置原则一般来说，高层建筑中竖向的结构体系差异较大，或者上下部柱网轴线错位，要设置水平转换层，转换层的布置不得使结构沿竖向的刚度发生突变。建筑结构的转换层可分段设置，形成里面小框架外面大框架的结构，即巨型框架结构如图1.8（a）。也可间隔设置，形成桁架式或者墙梁框架结构如图1.8（b）、（c），此时要求无支撑的宽敞大空间。当高层建筑物较柔，例框架筒体结构，整体刚度较不足，在结构沿竖向布置水平加强层，人为加强结构整体弯曲变形，此时建筑的加强层、设备层、转换层可统一考虑。对大底盘多塔楼结构，转换层宜设置在裙房的顶层，同时加大梁板的尺寸，避免结

36、构出现薄弱层，减轻震害。部分框支剪力墙结构的转换层应根据建筑所在抗震设防区的设防烈度布置，8度区内不宜超过第三层，7度区内不宜超过第五层，若转换层的设置不符合上述规定时，应作专门研究，采取有效措施。水平转换构件在平面上的布置可以分为以下几种如图1.9：角筒上或沿周边柱列（图a、b）；转换梁沿纵向、横向布置或双向交叉布置（图c、d、e）；相邻层之间相互垂直设置（图f）；沿着建筑物平面柱网的变化而合理设置（图g）；间隔布置与相邻层错开（图h）等等。在上面所述布置方案中，要求水平转换构件都必须与相邻层的柱网统一考虑。 （a）巨型框架结构 （b）间隔桁架结构 （c）间隔墙梁结构图1.8 分段或间隔布置

37、的转换层 （a） （b） （c） （d） （e） （f） （g） （h）图1.9 转换层的平面布置 若转换梁上支撑有剪力墙时，则一定要设支承柱，梁搭梁的传力形式不宜采用。同时，应尽量使上部的结构落在转换大梁中面上，以避免转换梁会受到较大的扭矩效应。1-3 本文的主要工作从以往的分析研究中可以看出，专家学者们已经转换层结构的地震反应特性做出了一些分析，但是对于地震扭转分量作用下转换层结构的抗震性能的研究还相对较少，地震扭转分量对转换层结构的影响还不够全面。因此本文是在诸多学者的研究基础上，对于考虑地震竖向扭转分量的情况下，对托柱转换梁结构和不带转换层结构进行抗震性能分析。比较两个模型在多维地震动

38、作用下的扭转反应、平动反应，进而得出关于转换层结构扭转效应的动力特性和相应规律，为结构设计人员提供一些理论依据。本文分别在汶川地震波和ei地震波的三种工况作用下，应用ansys有限元分析软件建立三维空间分析模型，对两个模型结构进行数值模拟分析，分析比较结构的自振周期、扭转反应、平动反应、结构滞回特征以及柱内力，并且进一步分析多维地震下结构扭转效应的动力特性和规律。为建筑工程设计人员提供一些工程应用建议。本文的主要内容如下：（1）利用matlab软件把实际纪录到的地震波利用频域法加速度时程曲线编成程序转换成地震动转动分量时程曲线；通过midas软件合成地震波的加速度反应谱曲线与频谱。(2）使用p

39、kpm结构软件设计出托柱转换梁结构和非转换层结构两个钢筋混凝土框架结构模型，结构计算之后，得到结构梁、柱以及板的主要技术参数。（3）通过ansys有限元软件，建立转换层结构和非转换层结构算例模型，分别输入结构短向地震、双向地震、双向及竖向扭转地震波，分析两个结构的扭转反应、平动反应、内力分布规律以及结构滞回特征。（4）在上述分析的基础之上，更加深入了解转换层结构扭转反应的实质，为转换层结构的抗扭设计方法和构造措施提供了部分依据，并为地震扭转效应方面抗震规范的制定提供了一些理论依据。第二章 地震动扭转分量历次地震震害的调查结果表明2627282930313233，建筑物在地震作用下不仅会产生水平

40、振动，而且还伴有扭转振动，扭转反应使结构在地震作用下整体抗震性能退化，导致结构发生破坏甚至倒塌。目前学术上已经有一些学者就地震动竖向扭转分量利用数值模拟的方法得到了地震扭转时程曲线，但还没系统地应用到空间结构体系的设计中，外加的地震竖向扭转分量对结构造成多大的扭转效应，与仅考虑水平地震作用相比有什么区别，目前还没有系统的研究。 2.1引起结构扭转效应的因素总体上在地震作用下引起结构扭转的因素主要有：结构自身存在的偏心和地震动本身的扭转分量。扭转反应的产生根本是结构自身的偏心，即结构的质心与刚心不重合。其中刚心的概念最早是由著名的结构专家林同炎提出来的，研究中他假定楼板为刚性，对于单层建筑结构，

41、水平力通过某点不产生扭转效应，此点就被称为结构的刚心；而对于多层建筑结构，刚心具有不确定性，一般为刚度分布和水平荷载的函数。当结构进入非弹性状态时，结构的各部分构件的刚度是变化的，也就是说多层结构的刚心也是变化的。引起结构自身偏心的因素主要有：结构平立面的不规则性；施工工艺和条件的限制，构件受荷历程及材料性质的差异等引起的偶然偏心；结构刚度退化的不均匀性。地震波是一种典型的多维随机运动，其在地面的运动是极其复杂的，各点的相位、周期和波速都不同，建筑结构基底将产生绕竖直轴的转动，结构便会产生扭转。实际的地震波包含6个分量，除了x、y、z三个水平分量，还产生绕着x、y、z轴的三个转动分量。大量的地

42、震现象证明：竖向的扭转分量直接对结构产生了扭矩，即便是对称结构也一定会产生扭转。2.2地震扭转分量2-2-1地震动扭转分量的弹性波理论rosenblueth于1957年首次指出，在地震作用下地面运动不仅仅存在水平分量，还伴随着三个转动分量。但由于当时地震动观察技术水平有限，对转动分量的观察资料及其匮乏。20世纪60年代末，地震转动分量的研究开始受到很多学者的重视，研究者们开始尝试利用弹性波动理论，从地震动水平分量中间接地得到其转动分量。其基本原理为，在弹性介质中取一微小的六面体单元，在xy平面上的投影如图2.1所示。 图2.1 微元体变形示意图微小的六面体单元体在地震波作用下发生变形，面积元由

43、原来的变为，在近似计算下，改变后的面积元可以看成是一个菱形，而是改变前后的对角线之间的夹角，即绕z轴转动的角位移，由图2.3可得： （2-1）因变形量很小，可以用各个角度的正切值来代替相应的角度值。即得到： （2-2）同理可得： （2-3） （2-4）很多的研究者对上述的关系提出了不同的方法。总的来说，可以分为下列两种方法。（1）行波法newmark34根据上述原理率先运用行波法，得到了地震动的地面转动分量，他假定水平传播的行波产生地面扭转分量，认为基础平板的扭转即为自由场地面的扭转。设是o点沿x方向的振动位移，是o点沿y方向的振动位移,即 （2-5） （2-6）式中，为剪切波速。由于将基础看

44、成刚性平板，故有（图2.3），所以 （2-7）上式中为绕z轴转动的角位移。对上式两边分别微分两次即可得到角加速度。虽然上述方法比较简单，但却能为地面转动分量的提取形成一个基本概念。继newmark之后诸多学者3536在行波法的假定下也对这一问题进行了深入研究；tso和hsu利用penzien和watabe37主轴概念,获得两个主轴方向相互垂直的水平加速度,继而求得地震动转动分量。（2）频域法从现有的地震动资料上不难发现，虽然地震动是幅值和频率都在复杂变化着的随机振动。但对于特定的地震动来说，也可将其看作是由多种不同频率的简谐波组合而成。学者们383940在此基础上对地震动的转动分量应用弹性半空

45、间理论来估计，其基本思想是假设地震波的传播介质是水平成层或均匀弹性的弹性体，入射到自由表面的波是体波或面波。设地震波满足波动方程的势函数为( y , z , t)和( y , z , t) 则位移分量为: （2-8） （2-9）式中w ,u分别为地震动的竖向和水平分量, 在半空间表面处(z=0), 剪应力为零, 即 （2-10）上式等价 （2-11）摇摆分量： （2-12）那么垂直分量的位移可以写成一般形式 （2-13）式中为波数,为视波速, 将(2-13) 式带入(2-12) 可得 （2-14）此式即为水平分量和竖向扭转分量的关系, 通过傅立叶逆转换就可得到水平分量的时程。capta 和tr

46、ifunac,孙士军和陈国兴,李宏男,王君杰等都是采用频域法对地面转动分量进行研究的, 而且还考虑了地震波入射时波速的频散效应。频域法的优势所在即不再把地震动的水平分量看成是定型波。2-2-2地震动扭转分量的计算公式推导假定地震波的传播介质是各向同性的均匀弹性半空间或成层均匀的弹性半空间，入射到半空间自由表面的波为体波，其坐标系统如图2.2所示。入射波为p波时（用sp表示），反射波有p波和sv波（分别用spp和ssp表示）；入射波为sv波时（用ssv表示），反射波有sv波和p波（分别用sss和sps表示）；入射波为sh波时（用ssh表示），反射波仅有sh波（用ssh表示）。从地震记录中可以看出

47、地震波中包含着p波、s波以及面波等成分，但在一般的理论分析中并没有全部考虑。图2.2 p、sv和sh波入射与反射和坐标系统fig.2.2 p、sv and sh waves incidence、reflection and the coordinate system对于以上三种频率为的入射波，以下为其位移函数41： （2-15） （2-16） （2-17）以下是反射波的位移函数： （2-18） （2-19） （2-20） （2-21） （2-22）式中，p波速和s波速分别为： （2-23） （2-24）式中：是质量密度；和是拉梅常数；是弹性模量； 是泊松比。依据以上入射波和反射波的位移函数及s

48、hell定律，入射角、反射角和之间的关系为：（1）当入射波为p波时： （2）当入射波为s波时： 可以得到： （2-25）其中： （2-26）、分别为本层土内的p波波速和s波波速。由式（2-15）(2-22)，场地质点在x和y向、竖直z向上的位移分量、分别为： （2-27） （2-28） （2-29）我们定义为绕z轴的竖向扭转分量，为绕y轴的水平摇摆分量，根据弹性波动理论可以得到： （2-30）将式(2-17)、式(2-22)代入式(2-27)、式（2-28），之后代入式(2.30)，得： （2-31）或： （2-32）得摇摆分量： （2-33）因为在自由表面处(z=0)，剪应力为0，即 （2-34）于是摇摆分量为： （2-35）由以上公式可知，地震动的扭转分量与y方向上的位移分量有关，而位移分量只和sh波有关，地震动摇摆分量则与p、sv波有关；但是地震记录并不是单独的sh、p或sv体波，而是这三种地震波的综合。因此，要得到地震动竖向的扭转分量，就必须先对实际记录的地震波进行分解。2.3地震动扭转分量的时程2-3-1地震动转动模型假设地震波主要由剪切波组成，地震动扭转分量的时程采用文献40的方法，如图2.3和图2.4所示为坐标系：