顶部带伸臂的框架—筒体结构的弹性稳定分析.pdf
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1、浙江大学 硕士学位论文 顶部带伸臂的框架筒体结构的弹性稳定分析 姓名:曹志毅 申请学位级别:硕士 专业:结构工程 指导教师:童根树 20060201 顶部带伸臂的框架一简体结构的弹性稳定分析 浙江大学硕士学位论文2 0 0 6 顶部带伸臂的框架一简体结构的弹性稳定分析 摘要 带仲臂的框架一简体结构体系是一种广泛应用于高层和超高层建筑中高效率的结构体系。 从结构受力特性来看。它属于双重抗侧力结构体系,但是它比框架一简体这种经典双重抗侧力 结构体系又前进了一步,在减小建筑结构侧移和倾覆弯矩方面起到了很好的作用。 从二十世纪六十年代伸臂结构第一次应用于工程实际开始,国内外许多高层或超高层建筑, 包括
2、钢结构、钢筋混凝土结构和钢一混凝土混合结构,纷纷应用了伸臂为核心的结构加强层处 理方法。伴随着工程实际应用的同时,国内外研究人员开展了对伸臂结构的研究和理论分析。 总的来说,对带伸臂的框架一筒体结构的研究主要集中在伸臂层最优数量和最优位置的问题上, 对结构稳定性方面的研究涉及较少。在对双重抗侧力结构体系稳定性分析的基础之,进行对 带伸臂的框架一筒体结构体系的稳定性研究可以进一步认清带伸臂的框架一筒体结构体系的 受力特性,并对工程设计应用提供一定的帮助。 本文研究了顶部带伸臂的框架一简体结构体系的弹性有侧移稳定。主要做了如下几个方面 的工作: 对伸臂位于顶部的单层框架一简体模型进行分析,提出了等
3、效转动约束的概念和转动约束 刚度的表达式。对边框柱两端不同约束条件下的几类模型进行了精确位移法求解,得到了结构 有侧移失稳的l 临界荷载值。利用伸臂刚度远大于普通粱柱的特点,提出了核心筒伸臂结构抗 侧刚度与框架抗侧刚度相加的结构抗侧刚度计算原则,并根据负刚度理论,获得了结构稳定承 载力的近似公式,同精确解进行了比较。对伸臂位于顶部的两层框架一简体模型进行精确位移 法分析,得到了结构有侧移失稳的临界荷载精确解。利用二阶效应等效的原则,提出将中间层 荷载等效为柱顶荷载的近似折减方法,提出结构稳定承载力的近似公式。对伸臂位于顶部和中 部的双伸臂结构简化模型进行了分析,利用力法求得了结构的抗侧刚度,提
4、出了针对不同简化 模型,竖向构件等轴力条件下的结构稳定承载力的近似公式。并利用A N S Y S 进行验证。 从伸臂结构整体分析角度出发,推出了顶部带刚伸臂的框架一简体单伸臂、双伸臂简化模 型的等效抗弯刚度和抗剪刚度。提出结构稳定承载力近似公式,同A N S Y S 分析结构进行比较。 说明了各构件在符合实际相对刚度条件下,近似公式有着一定参考作用。 关键词: 伸臂:框架;核心筒;转动约束;有侧移失稳;临界荷载:计算长度系数;折减系 数:负刚度:弯曲刚度;剪切刚度:构件相互支援:双重抗侧力;有限元分析。 堡塑堕塑壁塑堡塑二笪壁竺塑墼壁丝堕塞坌塑 塑坚查兰堡主堂垡笙苎! ! 堕 E l a s
5、t i cS t a b i l i t yA n a l y s i so ft h eT o p o u t r i g g e r - b r a c e d F r a m e T u b eS t r u c t u r e s A b s t r a c t I np r a c t i c eo fc u r r e n tm u l t i s t o r yb u i l d i n g s ,t h eo u t r i g g e r - b r a c e df r a m e t u b es t r u c t u r ei saw i d e l y u s e
6、de f f e c t i v e 目c n a 1s y s t e mI tb e l o n g si nd u a ls y s t e ma c c o r d i n gt om e c h a n i cc h a r a c t e r i s t i c B u t t h e o u t r i g g e r - b r a c e df r a m e - t u b es y s t e me x h i b i t si m p r o v e dc a p a b i l i t y i nr e s i s t i n gs i d e s w a ya n
7、d m a i n s t r u c l u r eo v e r t u r n i n ge f f e c tt h a nc l a s s i c a ld u a ls y s t e m F r o m1 9 6 0 s w h e nt h es 虮l c t u r ew i t ho u t r i g g e rw a su s e di np r a c t i c ef o rt h ef i r s tt i m e ,al o to f m u l t i - s t o r yo rs u p e rh i g h - r i s eb u i l d i n
8、 g sa th o m ea n da b r o a d ,i n c l u d i n gs t e e ls t r u c t u r e 、r e i n f o r c e d c o n c r e t es t r u c t u r e s 、s t e e lc o n c r e t ec o m p o s i t es t r u c t u r e ,a p p l i e do u t r i g g e r sa ss t r e n g t h e n e ds t o r yi n s t r u c t u r e s M e a n w h i l
9、e s ,t h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n da n a l y s i so fs t r u c t u r ew i t ho u t r i g g e ri sr a p i d l y d e v e l o p i n g I ng e n e r a l ,t h es u b j e c to nt h eo p t i m a lp l a c ea n dt h ea m o u n to fo u t r i g g e r si sm o r e i n v e s t i g a t e dt h a ns m
10、 l c n l r es t a b i l i t y T h es t a b i l i t ya n a l y s i so f t h eo u t r i g g e r - b r a c e df r a m e - t u b es t r u c t u r e t h a tb a s e do nad u a ls y s t e m ,c a nf u r t h e rs h o wt h em e c h a n i cc h a r a c t e r i s t i ca n db eh e l p f u lf o r d e s i g n e r s
11、 I nt h i st h e s i s ,t h ee l a s t i cs t a b i l i t yo ft h et o p - o u t r i g g e r - b r a c e dF r a m e - T u b es t l a l c t t l r e ai nas w a y m o d ei si n v e s t i g a t e d T h em a i n j o b sa r ea sf o l l o w s : T h es 鼬c m r co fas i n g l es t o r yf r a m e - t u b em o
12、d ew i t ho u t r i g g e ro nt o pw a ss t u d i e d q ? h ec o n c e p t o fe q u i v a l e n tr o t a t i o n a l l yr i g i d i t yi so f f e r e da n dt h ef o r m u l ao fr o t a f i o n a l l yr i g i d i t yi so b t a i n e dB y u s i n gs l o p ed e f l e c t i o nm e t h o d ,s o m ek i n
13、d so f m o d e l sw i t hd i f f e r e n tc o n s t r a i n tc o n d i t i o n sw e r es t u d i e d , a n dt h ec r i t i c a ll o a di ns w a yb u c k l i n gm o d ei se s t a b l i s h e d B e c a u s et h eb e n d i n gs t i f f n e s so fo u t r i g g e r s o u t c l a s st h es t i f i n e s s
14、o fc o m m o nb e a m sa n dc o l u m n s 。t h eo v e r a l ll a t e r a ls t i f f n e s so ft h es U u c t u r ei s s i m p l i f i e da ss u m m a t i o no ft h el a t e r a ls t i f f n e s so ft u b e - o u t r i g g e r ss t r u c t u r e sp l u st h a to ff r a m e s A p p l y i n gt h ec o n
15、 c e p to fe q u i v a l e n tn e g a t i v es t i f f n e s so fa x i a lf o r c e s ,t h ea p p r o x i m a t ef o r m u l af o rt h e c r i t i c a ll o a do ft h es y s t e mi ss u g g e s t e d ,a n dc o m p a r e dw i t ht h e o r e t i c a lr e s u l t s B ya n a l y s i n ga I I 顶部带伸臂的框架一简体结
16、构的弹性稳定分析浙汀大学硕士学位论文2 0 0 6 d o u b l e s t o r yf r a m e - t u b em o d ew i t ho u t d g g e ro nt o p ,t h et h e o r e t i c a lr e s u l to fc r i t i c a ll o a di ns w a y b u c k l i n gm o d ei so b t a i n e d M a k i n gu s eo fe q u i v a l e n tp r i n c i p l eo fs e c o n do r d e re f
17、 f e c t ,t h el o a do n m i d d l es t o r i e si sc o n v e r t e di n t ot h a ta tt o pa n dt h ea p p r o x i m a t ef o r m u l af o rt h ec r i t i c a ll o a do ft h e s y s t e mi ss u g g e s t e d T h e nt h e s ef o r m u l a ea r ee x t e n d e dt om u l t i s t o r yb u i l d i n g s
18、C o m p a r i s o nw i t h F E Ms h o w sag o o dc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h e m T h em o d e l sw i t ho u t r i g g e r si nm i d d l e a n dO i lt o p r e s p e c t i v e l yi sa n a l y s e dB yu s i n gf o r c em e t h o dt h el a t e r a ls t i f f n e s so fs t r t l o t u r ei so b
19、 t a i n e d A c c o r d i n g t od i f f e r e n tr e d u c e dm o d e l s ,t h ea p p r o x i m a t ef o r m u l af o rt h ec r i t i c a ll o a do fc o l u m n su n d e rc o n s t a n t v e r t i c a lf o r c ei ss u g g e s t e d ,a n dc a m p a r e dw i t hF E M A n a l y s i n gt h ef r a n l
20、e t u b es t r u c t u r ew i t ho n ea n dt w oo u t r i g g e r sa s aw h o l e ,t h ee q u i v a l e n t b e n d i n ga n ds h e a rs t i f f n e s si sr e a s o n e d T h ea p p r o x i m a t ef o r m u l af o rt h ec r i t i c a ll o a do f t h es t r u c t u r e i ss u g g e s t e d C o m p a
21、r i s o nw i t hF E Ms h o w st h ef o r m u l ai so fg r e a tr e f e r e n c e dv a l u ew h i l em e n b e r s s a t i s f y i n gr e l a t i v es t i f f n e s sr e q u i r e m e n t K e yw o r d s :o u t r i g g e r :f i a m e :c o r et u b e ;r o t a t i o n a lc o n s t r a i n t : e f f e c
22、t i v el e n g t hc o e f f i c i e n t ;e q u i v a l e n tc o e f f i c i e n t s h e a rs t i f f n e s s :i n t e r a c t i o n ;d u a ls y s t e m ;F E M b u c k l i n gi ns w a ym o d ec r i t i c a ll o a d ; n e g a t i v es t i f f n e s s ;F l e x u r a ls t i f f n e s s | I f 第一章绪论 浙江大学硕
23、 。学位论文2 0 0 6 第一章绪论 1 1 引言 高层和超高层建筑的发展历程,伴随着结构体系种类不断多样化的过程。以高层建筑钢结 构为例 1 主要的结构体系可以分为四大类:框架结构体系( 包括半刚接及刚接框架) ,共同 作用结构体系( 包括框架一支撑体系、带伸臂桁架的框架一支撑体系) ,部分简体结构体系( 包括 带支撑的槽型筒、槽型筒和工字形开r 7 筒的组合筒) 和简体结构体系( 包括外筒、筒中筒及巨 型支撑外筒) 。 在水平荷载起i q 控制作用的高层建筑中,对建筑抗侧性能的研究是结构工程人员关注的焦 点。工程师在追求如何达到要求的抗侧效果的同时使得花费的代价最小,并目不影响人的正常
24、使用,这促使一些新的结构体系的出现,在其适用的条件下完成对之前的结构体系的优化和完 善。为建造比框架结构更高的高层建筑,在保证抗侧能力的同时又避免过多地加大梁柱截面, ( a ) 上海锦江饭店( b ) 上海金茂大厦 图1 1 带伸臂的框架一简体结构建筑 采用了框架一简体结构体系。但是框架一筒体结构体系相应地存在侧向刚度不足及核心筒内力偏 大的缺陷,原因是核心篱虽然作为主要抗侧力结构,但核心筒的宽度较窄,菸至有时还不足建 筑宽度的l 3 ,高宽比值很大;作为弯曲型抗侧力构件,随着高度的加大,核心简的位移增长过 快:此外未能充分发挥外框柱抵抗侧向力的作用,由于外框架与核心筒之间的跨度常较大,横
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