单层球面网壳考虑地震空间相关性效应的参数分析研究.pdf
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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -I- 摘 要 随着社会进步和科学技术的发展,单层球面网壳作为大跨空间结构主要形式 之一,已被广泛应用于车站、航站楼、影剧院、展览馆等重要建筑,其对安全性 和抗震性的要求越来越高。地震地面运动是复杂的时间-空间过程,由于行波效应、 频散效应、场地效应和衰减效应的影响,结构各支座接收到的地震波存在差异, 因此,目前通常采用的一致输入法在大跨度空间结构抗震性能研究中可能引起较 大的结果误差,考虑地震动空间相关性的多点输入才是一种更合理的地震波输入 方法。本文考虑大规模参数化分析方案,包括 7 种跨度、3 种矢跨比、3 个屋面 荷载等级、3 种地震波、6 种地震幅值和
2、 13 种视波速,采用时程分析法,分别对 单层球面网壳考虑行波效应、相干效应和二者耦合效应进行地震响应分析。通过 参数分析,归纳影响空间相关性效应的影响因素及影响程度,总结出单层球面结 构在多点输入下结构的地震响应规律。论文主要包括以下几部分内容: 1. 阐述了影响地震空间相关性的主要因素,并将其归类为结构参数和地震动 参数两类,并根据参数选取原则确定了各参数及等级。通过对 90m 单层球壳多点 输入下地震响应分析,讨论了地震空间相关性效应的评价指标,提出了针对单层 球面网壳地震的评价方法。 2.采用实际地震记录,改变结构参数与地震动参数,计算单层球壳考虑行波 效应的多点输入地震响应,并与一致
3、输入下的地震响应对比,分析了地震空间效 应下多点输入影响系数的变化规律及影响机理。 3. 考虑地震空间相关性,基于相位差谱法分别模拟了考虑相干效应、行波效 应和二者耦合效应的空间相关非平稳地震动场,计算了考虑相干效应与耦合效应 下单层球面网壳结构的响应,得到了以下结论:行波效应与相干效应耦合时可以 看作仅考虑单一效应时两效应的叠加,随着行波效应与相干效应影响的比重不同, 参数对多点输入影响系数的影响表现出不同的规律。相对于单一效应,二者耦合 时对单层球面网壳的影响最为不利。 关键词:关键词:单层球面网壳;地震作用;空间相关性;多点输入;参数分析 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -II- Abs
4、tract Along with the great development of science and technology, as an important form of spatial structures, single-layer reticulated shells are widely applied in station, airport building, opera house, gallery, which are landmarks of cities or areas and shelters for the earthquake. Therefore, the
5、requirement for their safety and anti-seismic capacity imporves. The surface movement of an earthquake is a complicated process in time and spaces. considering for wave-passage effect、incoherence effect、site-response effect and attenuation effect, different support of the structure receives the grou
6、nd motion varying in frequency and amplitude. Simple support excitation is unreasonable for seismic analysis of long-span structures,relative to multiple support excitations. The project of parameter analysis includes 7 spans, 3 ratios of rise to span, 3 levels of roof weight, 3 seismic inputs, 6 PG
7、A, 13 apparent velocity. The time history analysis of single-layer reticulated domes under wave-passage effect, incoherence effect and their coupling effects is completed 40 thousand times. The effect discipline and mechanism of spatial correlation are found by large parameter analysis. The thesis c
8、onsists of the following sections: 1.The dissertation expounds the main factors influencing spatial correlation. The parameters are classified as two sorts, structural parameters and the parameters of ground motion. The parameters and levels are confirmed according to the discipline for choosing the
9、 parameters. A span of 90m single-layer reticulated domes under multiple support excitations is calculated for the index of spatial correlation, with the ways to evaluate the spatial correlation. 2.By changing the parameters, the structural response under wave-passage effect were derived by records
10、of ground motion in comparison with the structural response under simple support excitation. The dissertation obtains the law and the discipline to effect the structural response under spatial correlation. 3. The non-stationary ground motion under wave-passage effect, incoherence effect and their co
11、upling effects was simulated based on phase difference spectrum. By analysis of structural response under the effect above, conclusion is received by following: the coupling effects of wave-passage effect and incoherence effect can be treated as the addition of single effect. The effect law is diffe
12、rent with the proportion of each other. And the coupling effects on single-layer reticulated domes are unfavorable. Keywords: single-layer reticulated domes, earthquake, spatial correlation, multiple support excitations, parameter analysis 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -III- 目 录 摘 要 I Abstract . II 第 1 章 绪论 . 1 1
13、.1 课题背景及研究意义 1 1.2 国内外研究现状 2 地震空间变化性 . 2 1.2.1 多点输入下的结构响应分析方法 . 3 1.2.2 网壳结构多点输入地震响应研究 . 7 1.2.3 1.3 本文的研究内容 9 第 2 章 单层球壳计算模型及评价方法 . 10 2.1 引言 10 2.2 K8 型单层球面网壳有限元模型 . 10 结构杆件设计 . 10 2.2.1 有限元模型参数设置 . 12 2.2.2 2.3 地震动参数设置 13 地震波选用与修正原则 . 13 2.3.1 地震动参数确定 . 14 2.3.2 2.4 空间相关性效应评价方法 16 地震空间相关性效应评价指标 .
14、 16 2.4.1 典型算例分析 . 17 2.4.2 空间相关性效应的评价方法 . 20 2.4.3 2.5 本章小结 22 第 3 章 单一地震空间相关性效应地震影响分析 . 23 3.1 引言 23 3.2 行波效应对单层球面网壳地震响应的影响 23 结构参数 . 24 3.2.1 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -IV- 地震动参数 . 31 3.2.2 3.3 相干效应对单层球面网壳地震响应的影响 38 空间相关性非平稳地震动场模拟 . 38 3.3.1 结构参数 . 41 3.3.2 地震动参数 . 42 3.3.3 3.4 本章小结 43 第 4 章 耦合效应对单层球面网壳地震响
15、应的影响及工程建议 . 44 4.1 引言 44 4.2 耦合效应对单层球面网壳地震响应的影响 44 结构参数 . 44 4.2.1 地震动参数 . 47 4.2.2 4.3 单一效应与耦合效应的对比 50 4.4 工程建议 51 4.5 本章小结 52 结 论 . 53 参考文献 . 54 攻读学位期间发表的学术论文及其他成果 . 59 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 . 60 致谢 . 61 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -1- 第1章 绪论 1.1 课题背景及研究意义 近年来由于经济技术的迅速发展,大跨空间结构越来越多地应用在工业建筑 与公共建筑等基础设施当中。网壳结构作为
16、大跨空间结构的重要形式之一,具有 形式多样优美、造型新颖夺目、突出艺术创作等外观优势;又具有合理的结构特 性、大空间覆盖性、性价比高等结构优势,被展览馆、体育场馆、歌剧院等规模 宏大、体型复杂的地标性建筑越来越多地采用(如图 1-1 至图 1-2 所示) 。 图 1-1 日本名古屋穹顶(跨度 187m) 图 1-2 国家大剧院(长向跨度 212m) 地震是由于自然或人为原因造成的地壳运动引起地表振动的过程,期间伴随 着巨大的能量释放。地震一直是困扰人类的最严重自然灾害之一,即使以目前发 达的科学和工程技术,地震仍旧造成了很严重的工程破坏和人员财产损失。有关 数据显示,全球范围内平均每年发生的严
17、重的破坏性地震约 18 次,死亡上万人; 而平均每年的经济损失和用于震后救灾的资金达十亿美元;并随着城镇化的进程 和经济的高度发展,这种损失平均每几十年要翻一倍。近五年内八级以上特大地 震就有四次,2008 年 5 月 12 日,中国汶川发生 8.0 级地震,波及大半个中国及 亚洲多个国家和地区,六万多人丧生,经济损失八千多亿元。2010 年 2 月 27 号, 智利马乌莱发生 8.8 级地震,一千多人死亡,200 万人流离失所。2011 年 3 月 11 日,日本东北海域发生 9.0 级地震,引发了日本历史上最严重的海啸和核泄漏事 故,这种损失是难以估算的。2012 年 4 月 11 日,印
18、度尼西亚苏门答腊附近海域 发生 8.5 级地震,灾民达 34 万人。结构抗震研究就是为了确定工程的抗震设防措 施,以抵抗设计使用年限内可能出现的地震作用,以减小或避免以上各种损失。 大跨空间结构由于其覆盖面积大、造型特异,往往是人流集中或者具有重要 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -2- 意义的公共场所,具有较一般结构更多的社会职能,一旦在地震中发生破坏,会 带来巨大的人员以及财产损失,也会产生严重的社会影响。当大震发生时,我们 不但希望大跨度建筑结构保证其自身安全性,而且希望能提供灾后避难的功能, 这些都对网壳结构的抗震性能研究提出了更高的要求。除此之外,由于网壳结构 往往跨度较大,结构各支
19、座在地震时获得的振动输入是不同步的,即地震动的空 间相关性可能比较显著,这一研究领域也有待于更多的研究成果以指导工程实践。 合理的地震波输入是研究结构抗震性能的前提,国内外学者已经在地震动空 间相关特性的描述、地震动场的模拟、多点输入下结构响应计算方法、影响地震 相关项的因素及影响程度等问题上有了很大的进展,也为本文的深入研究奠定了 理论基础。鉴于问题的重要性,我国新版抗震规范 (GB50011-2010)3第 5.1.2 条也已提出: “平面投影尺度很大的空间结构,应根据结构形式和支承条件, 分别按单点一致、多点、多向单点或多向多点输入进行抗震计算。按多点输入计 算时,应考虑地震行波效应和局
20、部场地效应。 ” ; “平面投影尺度很大的空间结构 指跨度大于 120m、或长度大于 300m,或悬臂大于 40m 的结构。 ”该规范虽然规 定了应考虑多点输入,但由于该方面的研究还不甚成熟,并没有具体给出计算方 法,如何考虑行波效应和局部场地效应,以及不同影响因素对多点输入下结构响 应的影响程度等内容。 本文正是基于以上背景,系统开展单层球面网壳结构考虑地震空间相关性效 应研究,获得考虑地震动空间相关性效应的影响规律,为工程实践提供基础素材。 1.2 国内外研究现状 地震空间变化性 1.2.1 地震动是一个复杂的时间-空间运动,当地震发生时,由震源释放的能量以地 震波的形式传至地表。由于震源
21、机制、传播特征和地质构造的不同,地表各点接 收到的地震波在时间与空间上有很大不同。已有的地震记录表明,同一次地震中, 即使相距仅有几十米,接收到的地震记录在幅值、相位、频谱上都各不相同,表 现出复杂的时间空间特性。究其原因,可以归纳为以下四种因素1,2: (1)行波效应:由于场地距震源距离不同,到达结构各支承点的地震波具 有明显的时滞性。如果支承点间距很大或地震波传播速度很小,这种时滞性就会 很明显。 (2)相干效应:由于传播路径上传播介质的不均匀性,地震波在传播过程 中经历复杂的反射与散射,且不同位置叠加方式也不尽相同。由此导致的地震动 的频散损失也称相干损失。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论
22、文 -3- (3)衰减效应:地震波在传播过程中必然伴随着能量损失,传播距离越大, 能量损失必然越多。波的振幅反映了波的能量,能量损失,振幅减小,结构尺度 越大,波的衰减也就越明显。 (4)场地效应:工程场地地质存在不均匀性,地震波在不同介质中传播, 结构支点接收到的地震波的特性不同。 如果结构的平面尺度较小或结构位于可假定为完全刚性的基础上,可以忽略 地震波的空间变化特性,将输入结构地基各点的地震动视为完全相关,即结构各 支座接收到的地震动具有相同的振幅和相位,此时地震波的输入方式称为一致输 入。对于大尺度的空间结构,由于地震动的空间相关性,仅考虑一致输入就可能 造成较大的计算误差。在结构工程
23、界,对应于一致输入,常将考虑地震空间相关 性对结构抗震性能的研究称之为多点输入问题。多点输入是一种更合理的地震波 输入方法,是地震工程学一次阶段性的提升,也是大跨空间结构抗震研究的趋势 之一。 由于建筑结构的尺度一般都在 500m 以下,大跨空间结构也是如此, ,此时可 不考虑衰减效应与局部场地效应,即仅考虑行波效应和相干效应进行研究,本文 也仅考虑了这两项的影响。 多点输入下的结构响应分析方法 1.2.2 早在 1969 年,Dibaj 和 Penzien 在对土坝坝体进行抗震分析研究中,考虑地 震波相位差,首次推导了多点输入下结构的动力方程4,后广泛应用到工程界。 推导的中心思想主要是与一
24、致输入下动力方程的对比,将结构的总响应分为二类: 由于结构相对于绝对地面运动引起的相对运动响应(与一致输入形式相一致) 。 由于地震空间相关性结构各支承点的非一致运动引起的响应。将由于地震空间 相关性结构各支承点之间的非一致运动引起的结构附加力做为拟静力,引起的位 移称为拟静力位移,而引起的位移称为动力相对位移。 在绝对坐标系中,下标 m 表示与支承点有关的量,下标 s 表示与非支承点有 关的量。则结构动力方程可表示成如公式(1-1)所示的分块形式: 0 sssmssssmssssms msmmmsmmmsmmmm mm MMXCCXKKX MMCCKKXf XX (1-1) 式中 m X、
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- 单层 球面 考虑 地震 空间 相关性 效应 参数 分析研究
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