设置抗塌落拉索的柔性连接连体结构弹塑性地震响应分析

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本论文的课题来源是2010年的国家自然科学基金项目《地震作用下高层柔性连接连体结构碰撞反应控制及连廊抗塌落分析》(51068008)。柔性连接连体结构是指连接体与主塔楼采用具有一定刚度和阻尼的连接支座连接而成的连体结构形式。柔性连接能有效地减小连体结构在地震作用下的扭转耦联反应,也可能导致连接体与塔楼在强震作用下发生碰撞及连廊塌落。为防止高空连廊的塌落,目前多采用抗塌落拉索作为一种安全保护构造措施。本文以强震作用下某个连接支座发生破坏,抗塌落拉索和连接支座共同支承连廊的柔性连接连体结构为研究对象,进行了以下几个方面的工作:1、在对整个连体结构进行弹塑性时程分析时,如果同时考虑材料弹塑性和结构几何非线性,计算量过大,且有时会出现收敛异常的情况。考虑到几何非线性主要由连廊引起,将连廊从塔楼中剥离出来,进行考虑几何非线性的动力弹塑性响应分析。分析表明:拉索的初始松弛长度主要影响连廊整体重量在拉索与支座间的分配,只要拉索的初始松弛长度选择适当,强震作用下拉索始终处于受拉状态,隔震支座始终处于受压状态,拉索可以与隔震支座协同作用;几何非线性主要影响拉索轴力、隔震支座竖向支承力以及碰撞力的大小,影响程度分别为25%、25%及15%左右。基于上述分析结果,本文在对整体结构进行弹塑性时程分析时,近似考虑几何非线性对结构响应的影响,将连廊对塔楼的P效应采用附加弯矩的方式进行输入,柔性拉索的几何非线性影响采用放大输入荷载的方式进行考虑。2、柔性连接支座的水平位移会导致连廊重力对主塔楼产生P效应,本文采用附加弯矩的方式施加此P效应,附加弯矩值采用多遇地震和罕遇地震两种作用工况得出。对两种附加弯矩作用下的连体结构进行配筋设计,然后进行罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析,分析结果表明:如果设计时采用的是多遇地震作用下的附加弯矩,罕遇地震作用下,连廊与塔楼相连的区域会出现明显的屈服性能水平过低的情况;如果设计时采用的是罕遇地震作用下的附加弯矩,罕遇地震作用下,连廊与塔楼相连区域的结构承载力有显著提高,结构具有较好的抗塌落性能。因此,为提高连廊与塔楼相连的区域构件的屈服性能水平,弹性设计时应对支承连廊的塔楼节点施加罕遇地震作用下的P效应所引起的附加弯矩。3、将7度罕遇地震动加速度峰值放大1.2倍,分别对无支座失效、单个支座失效以及对角线双支座失效(在失效支座处抗塌落拉索参与工作,与其余未破坏支座共同承担连廊)的连体结构进行弹塑性时程分析,研究在超过设防标准的罕遇地震作用下连体结构的弹塑性时程响应。分析结果表明:抗塌落拉索参与工作后,余下未破坏的连接支座位移会有较明显增大,且与只采用隔震支座支承连廊的连体结构相比,设置抗塌落拉索的柔性连接连体结构连廊上部的碰撞机会和碰撞力均有所增大。4、综合比较了多条地震波激励下抗塌落拉索参与工作后的结构动力响应,结果表明,各构件的屈服性能水平按破坏程度从强到弱大致为:剪力墙连梁,两端分别与剪力墙和框架柱相连的框架梁,两端与柱相连的框架梁,与连廊连接部分的塔楼框架柱及塔楼底部柱。框架梁、柱屈服性能水平均没有超过生命安全阶段,剪力墙边缘构件屈服仅限于底部加强部位,采用拉索防止连廊塌落技术上是可行的。
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