长周期地震动作用下高层钢框架结构倒塌模式研究

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近年来,随着社会经济的发展,世界各地的超高层结构、高耸建筑、大型储液罐、大跨度桥梁等长周期建筑开始大量建造,这些长周期建筑容易与长周期地震动的低频部分产生类共振效应,造成剧烈振动或严重破坏。尤其对于高层钢框架结构,由于其抗侧刚度低、阻尼比小,共振效应会使结构产生很大侧移,这一方面加剧了P-Δ效应,另一方面,长时间的持续振动会导致钢材强度和刚度退化,几何非线性和材料非线性的双重影响将会使结构处于极为不利的受力状态,很容易发生破坏甚至倒塌。而结构的倒塌失效模式可以反映出结构的倒塌过程,并可以为改善结构的抗震性能提供针对性方法,使结构满足不同地震动强度下相应的目标性能,尽最大可能减少人们的生命和财产损失,因而研究高层钢框架结构的倒塌模式具有重要的现实意义。本文以高层钢结构为研究对象,利用 SAP2000对结构进行非线性时程分析,识别结构的倒塌模式,并比较长周期地震作用下和普通地震作用下结构倒塌模式之间的差异。本文主要工作和结论如下:  1.确定了长周期地震波的选波原则,依此原则选取了15条长周期地震波,另外选择了3条普通地震波,并对选取的地震波进行了处理。  2.分别建立了15层和25层钢框架结构、15层和25层钢框架-支撑结构4个模型算例,并对各算例分别进行了模态分析。  3.以选取的18条地震动作为荷载对4个模型算例进行非线性时程分析,选用增量动力失效准则和整体变形限值准则两个倒塌判据,判定倒塌判据的有效性及各模型的倒塌模式。结果表明:就安全度而言,整体变形限值准则要优于增量动力失效准则;当结构的自振周期较小时(T<1s),输入普通地震动和长周期地震动时,结构在倒塌点的地震强度和最大侧移并没有太大的差别;当结构的自振周期较大时(1s2s),普通地震动输入下结构在倒塌点的地震强度要远大于长周期地震动输入下结构在倒塌点的地震强度,但在最大侧移方面两者相差不大。在层间倒塌模式方面,结果比较离散,长周期地震动作用下结构主要表现为中下层及下层最先倒塌的模式,而普通地震动作用下结构则会出现中下层和下层最先倒塌的模式,也会出现底层最先倒塌的倒塌模式。
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