高层混合结构分析与设计的新方法研究

【摘要】高层建筑是社会需求与经济繁荣、科技进步的产物。随着对高层建筑使用功能要求的日趋复杂,高层建筑数量日益增多、高度不断提升的同时,结构形式也在发生变化。高层混合结构便是顺应这种变化而发展起来的结构形式之一。高层混合结构是指钢框架和混凝土核心筒(或剪力墙)双重抗侧力结构体系的组合合,兼具钢结构与混凝土结构的优点,性能处于两者之间,克服了纯钢结构或混凝土结构在高层建筑结构应用中的许多缺点,因此这种结构有着更加广泛的前景。我国已经建成的超高层建筑中,大部分采用了这种结构体系,但是对该结构的研究相对滞后,许多问题需要进一步研究,包括高层建筑混合结构的计算方法、外部钢框架与内部混凝土核心筒结构的协同工作、节点连接形式对其受力性能的影响等等。本文基于广西大学秦荣教授创立的QR方法,建立了高层混合结构分析的新方法,包括静力弹性分析、非线性分析、以及静力弹塑性抗震分析的新算法,并编制了相应的C语言计算程序。本文的研究工作的主要如下：第一章主要对混合结构的形式、特点、研究背景及意义进行了阐述和回顾,对混合结构的分析计算方法、目前研究的内容进行归纳总结,并提出了本文的主要研究内容。第二章主要研究混合结构分析的单元新模式,包括框架梁柱离散的三维梁柱单元和混凝土楼板、剪力墙离散的平板壳元。①基于平衡微分方程和稳定函数推导了考虑二阶效应的平面梁单元的刚度方程,利用两个平面的组合构造三维梁、柱单元的刚度矩阵；②基于广义协调理论推导了薄板弯曲的矩形单元以及带扭转自由度的高精度矩形膜元,利用二者的组合构造了三维平板壳元的刚度矩阵。第三章主要研究高层混合结构三维静力弹性分析的QR法。①在已有的平面弹性分析的QR法的基础上,在结构的平面图上做样条结点离散,采用双三次B样条基函数和正交多项式乘积的线性组合构造整体位移场函数,建立了集剪力墙、楼板和钢框架梁柱的三维空间QR计算新格式；②提出了单元QR变换的简化方法,可大大节省结构总刚度矩阵的的存储空间,避免零元素的运算,可大大提高QR法在空间结构分析中的计算效率；③设计了该算法的计算流程和C程序。第四章主要研究高层混合结构三维静力非线性分析的QR法。考虑钢材和钢筋混凝土的材料非线性,以及钢框架的几何非线性影响,采用空间塑性铰模型,应用OR法建立了混合结构样条变刚度法荷载增量形式的非线性刚度方程,采用修正的牛顿-拉夫逊(ModifiedNewton-Raphson)迭代法求解非线性方程组。建立了混合结构体系双重非线性分析的新算法,设计了该算法的计算流程和C程序。第五章主要研究高层混合结构三维静力弹塑性抗震分析的Pushover-QR法,在简介基本概念及前人研究成果的基础上,将基于能力谱法的Pushover法与混合结构非线性分析的QR法相结合,建立了高层混合结构三维静力弹塑性抗震分析的Pushover-QR法,给出算法的计算新格式和实施步骤,并设计了算法的计算流程和C程序。第六章主要应用前述推导利用本文建立的高层混合结构分析的新方法对某工程实例进行了静力弹性、静力弹塑性抗震分析,总结了该混合结构的受力性能,得出了一些有益的结论,对今后混合结构分析与设计提供参考。用C语言编制了相关计算程序,证明本文方法的可行性和有效性,为高层混合结构的分析提供了一种新的方法。
【作者】苏金凌；
【导师】秦荣；
【作者基本信息】广西大学，结构工程，2013，博士
【关键词】高层混合结构；QR法；三维非线性分析；样条结点离散；QR变换；双重非线性；静力弹塑性抗震分析；Pushover-QR法；

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