1 緒   論  

1.1  研究目的和意義
我國總的陸地面積達到了 960 萬平方公里，排在世界第三位，地形多種多樣。地質(zhì)條件復(fù)雜，在漫長的地質(zhì)歷史演化過程中，內(nèi)外動力相互作用下塑造成多種多樣的地貌類型，既有縱橫交錯的山脈，也有面積遼闊的高原，，有巨大的盆地，也有一望無際的平原，還有坡度和緩的丘陵。其中，山地約占全國土地面積的 33％，高原約占 26％，盆地約占 19％，平原約占 12％，丘陵約占 10％。另外我國人口在第六次全國人口普查顯示已經(jīng)達到了 13.4 億，是一個人口眾多的國家。根據(jù)黨的十六大報告指引的方向，《2001-2002 中國城市發(fā)展報告》勾畫了我國城市化藍圖，提出了 50 年的戰(zhàn)略目標。主要內(nèi)容是用 50 年左右的時間，全面超出世界中等發(fā)達國家的城市化水平，城市化率提高到 75%以上；建成具有容納 11 億到 12億的城市容量，形成結(jié)構(gòu)合理、功能互補、整體效益最優(yōu)化的大中小城市體系。在這樣的時代背景下，我們也應(yīng)該注意到我國的基本國情，那就是在我國山地和丘陵地區(qū)占到了國土面積的 2/3 以上，要達到上述的城市化目標，向山地擴張成為未來發(fā)展的必然趨勢。 地震是人類所面臨的最嚴重的自然災(zāi)害之一，具有突發(fā)性和極強破壞性的特點。一次突發(fā)性的地震瞬間就會給地面上的建筑物帶來巨大的破壞，并可能引起水災(zāi)、火災(zāi)等次生災(zāi)害，從而導(dǎo)致嚴重的人員和財產(chǎn)損失。地震災(zāi)害與其它自然災(zāi)害的顯著區(qū)別在于，幾乎所有的人員傷亡和經(jīng)濟損失都與工程結(jié)構(gòu)及構(gòu)筑物的破壞密切相關(guān)[1]。中國處在環(huán)太平洋地震帶和喜馬拉雅-地中海地震帶之間，是世界上地震災(zāi)害最嚴重的國家之一。僅新中國成立以來，在中國大陸就先后發(fā)生 2次震級大于 7.8 級的地震，均具有強度大、頻度高、震源淺的特點，給國家和人民的生命財產(chǎn)造成了巨大的損失。1976 年河北唐山地震，震級 7.8 級，死亡 24.5 萬人；2008 年四川汶川地震，震級 8.0 級，造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，成為建國以來破壞性最大、波及范圍最廣的一次地震。由于地震動具有很大的隨機性，并且對人類社會構(gòu)成很大的威脅，因此對地震的預(yù)防也成為防災(zāi)減災(zāi)最重要的課題之一[2]。 
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1.2  研究現(xiàn)狀
山地建筑極大地拓展了人類的生存空間，滿足了人們對與自然環(huán)境相適應(yīng)的人居環(huán)境要求的提高。圖 1.1~1.4 所示為國內(nèi)外典型的山地建筑，可以看出山地建筑的最大特色是保留了原有地形地貌和自然風(fēng)光，做到與自然環(huán)境相融為一體。但是從結(jié)構(gòu)的角度看，結(jié)構(gòu)工程師往往是只在滿足建筑要求的基礎(chǔ)上利用現(xiàn)行規(guī)范進行山地建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計，基于以往的研究，現(xiàn)行規(guī)范的豎向?qū)觿偠缺取娱g受剪承載力之比等控制指標已經(jīng)不再適用于山地結(jié)構(gòu)，如果盲目使用，勢必會給山地結(jié)構(gòu)埋下安全隱患[3]。為此，李英民、王麗萍[4]等提出山地建筑結(jié)構(gòu)的概念，指出應(yīng)該針對山地結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的特殊問題進行專門的研究。   王麗萍[4]根據(jù)山地建筑形式總結(jié)出 5 種基本的山地建筑結(jié)構(gòu)形式：掉層、吊腳、附崖、錯層、臺層。實際中最常見的還是掉層結(jié)構(gòu)和吊腳結(jié)構(gòu)，鑒于吊腳結(jié)構(gòu)從豎向不規(guī)則角度來看屬于掉層結(jié)構(gòu)的特殊形式，故掉層結(jié)構(gòu)是山地建筑結(jié)構(gòu)中最具代表性的結(jié)構(gòu)形式。掉層結(jié)構(gòu)是指在同一單元內(nèi)存在兩個不在同一水平面的嵌固端，從最高接地點以下按層高設(shè)置樓面，并利用坡地高差處空間的結(jié)構(gòu)體系，如圖 1.5 所示。掉層結(jié)構(gòu)的形成原因：一方面是為達到期望的建筑效果依地而建；另一方面如圖 1.6 所示，在山區(qū)建造常規(guī)建筑，則帶來的平整場地挖方量成倍增加，提高了工程造價，同時山體由于開挖的不利影響容易產(chǎn)生滑坡。 
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2 黏滯流體阻尼器的力學(xué)性能  

2.1  引言   
黏滯阻尼減震結(jié)構(gòu)作為一種有控組合結(jié)構(gòu)體系，由主體結(jié)構(gòu)和附加消能減震部件組成，與普通結(jié)構(gòu)的設(shè)計唯一的區(qū)別是要考慮附加消能部件對主體結(jié)構(gòu)的影響。實際操作中考慮到消能部件相對于主體結(jié)構(gòu)而言屬于結(jié)構(gòu)輔助體系，因此可以使主體結(jié)構(gòu)在合理的設(shè)計范圍內(nèi)，采用附加阻尼器作為補充結(jié)構(gòu)強度的思路來進行設(shè)計。消能減震結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計需要考慮如下問題：確定減震結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防目標，阻尼器類型的選擇、阻尼器相關(guān)參數(shù)的選擇、阻尼器在結(jié)構(gòu)中的布置數(shù)量和布置方式、估算需要的附加阻尼比等。為了滿足被動減震結(jié)構(gòu)的設(shè)防目標，設(shè)計人員需要在充分了解消能部件的性能基礎(chǔ)上開展減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計和規(guī)劃，并對減震結(jié)構(gòu)的性能進行評估。
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2.2  減震結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防目標 
確定消能減震建筑的抗震設(shè)防目標是進行消能減震設(shè)計的基礎(chǔ)和前提�！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)總則 1.0.1 條對普通建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防目標為三級設(shè)防目標即“小震不壞、中震可修、大震不倒”。而對于減震結(jié)構(gòu)，規(guī)范在第 3.8.2條做出原則性的規(guī)定：“采用隔震或消能減震設(shè)計的建筑，當遭遇到本地區(qū)的多遇地震影響、設(shè)防地震影響和罕遇地震影響時、可按高于本規(guī)范 1.0.1 條的基本設(shè)防目標進行設(shè)計�！边@里明確了消能減震建筑的抗震設(shè)防目標應(yīng)高于依靠結(jié)構(gòu)自身強度和變形來抵御地震的傳統(tǒng)建筑的抗震設(shè)防目標，但未具體明確不同情況下的消能減震結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防目標，因此依據(jù)規(guī)范這一規(guī)定來進行消能減震設(shè)計尚有困難。 確定消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)防目標應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的重要性和功能性、社會和業(yè)主的要求、項目的投資成本和收益等因素，并將這些因素量化為工程設(shè)計中可以具體使用的設(shè)計參數(shù)。參考文獻[32]、[44]，表 2.1 給出減震結(jié)構(gòu)的性能水準量化指標。A 目標與現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計規(guī)范對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計抗震設(shè)防目標相同。遭受低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震影響時，主體結(jié)構(gòu)不受損壞或不需修理可繼續(xù)使用；當遭受相當于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的設(shè)防地震影響時，可能損壞，但經(jīng)一般性修理可繼續(xù)使用；當遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的罕遇地震影響時，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴重破壞。由于不同原因?qū)е陆Y(jié)構(gòu)在多遇地震下尚不能滿足規(guī)范要求，或需采取明顯不合理的過分加強措施才能滿足規(guī)范要求，以及既有建筑抗震加固要求設(shè)防目標與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防目標一致時，結(jié)構(gòu)可設(shè)計成這類設(shè)防目標的減震結(jié)構(gòu)。 
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3 掉層結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計中等代模型的確定 ........ 19
3.1  引言 ......... 19 
3.2  結(jié)構(gòu)分析程序及計算方法 ..... 19 
3.2.1 分析程序簡介 ... 19 
3.2.2 彈塑性狀態(tài)減震結(jié)構(gòu)分析方法 ....... 20 
3.3  算例設(shè)計 ......... 23 
3.3.1 掉層結(jié)構(gòu)相關(guān)部位說明 ... 23 
3.3.2 分析模型及相關(guān)參數(shù) ....... 24 
3.4  掉層框架等效普通等高框架思路 ......... 25 
3.5  本章小結(jié) ......... 32 
4 附加黏滯阻尼器對掉層結(jié)構(gòu)彈塑性抗震性能影響分析 ..... 33
4.1  引言 ......... 33 
4.2  結(jié)構(gòu)算例重要參數(shù)取值 ......... 33
4.3  設(shè)防地震烈度作用下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析 ..... 36
4.4  罕遇地震烈度作用下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析 ..... 51
4.5  本章小結(jié) ......... 66 
5 結(jié)論與展望 ..... 67
5.1  主要工作與結(jié)論 ..... 67 
5.2  存在問題與后續(xù)工作 ..... 68 

4 附加黏滯阻尼器對掉層結(jié)構(gòu)彈塑性抗震性能影響分析

4.1  引言

本章利用第三章建立的附加黏滯阻尼器的掉層結(jié)構(gòu)計算模型，分別進行設(shè)防地震和罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析。確定采用等代模型設(shè)計阻尼器參數(shù)應(yīng)用在掉層結(jié)構(gòu)的適用范圍，研究結(jié)構(gòu)所掉層數(shù)以及跨數(shù)對該等代設(shè)計思路適用性的影響，同時考察掉層部位設(shè)置黏滯阻尼器的必要性，最后對附加非線性黏滯阻尼器的減震掉層結(jié)構(gòu)的抗震性能進行評價。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2010)第 5.1.1 條規(guī)定：“進行結(jié)構(gòu)的彈塑性分析，材料的性能指標宜取平均值，并宜通過試驗分析確定，也可按規(guī)范規(guī)定確定”。本章在進行減震結(jié)構(gòu)的彈塑性時程分析，鋼筋和混凝土的材料強度取材料平均值計算。 本文對所有的計算模型計算模型是根據(jù)“中震不壞，大震可修”的性能目標設(shè)計阻尼器，因此需要進行減震結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震作用下的承載力和彈性變形驗算及罕遇地震下的彈塑性變形驗算。采用框架單元來模擬梁、柱構(gòu)件。梁、柱構(gòu)件屈服和屈服后的性能用離散的塑性鉸來模擬。SAP2000 中有三種類型的鉸屬性：默認的鉸屬性；用戶指定的鉸屬性；生成的鉸屬性。其中只有默認的鉸屬性和用戶指定的鉸屬性可被指定給框架單元。本章采用基于 FEMA356 的默認鉸屬性，指定塑性鉸的長度為 0.05 倍單元長度，塑性鉸的位置在框架單元的兩端，對梁定義主方向的彎矩鉸(M3 鉸)，對柱定義 P-M2-M3 相關(guān)鉸。定義的這些塑性鉸會根據(jù)構(gòu)件的材料和配筋信息得到構(gòu)件的力-位移（彎矩-轉(zhuǎn)角）曲線。曲線通過有五個控制點 A-B-C-D-E 的曲線來實現(xiàn)，如圖 4-1 所示。B 點為截面屈服點，從點 A到點 B 鉸內(nèi)沒有發(fā)生變形，鉸達到點 C 時，截面開始失去承載力。點 IO、LS、CP 代表鉸的能力水平，分別對應(yīng)于直接使用、生命安全和防止倒塌狀態(tài)。 

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結(jié)論

本文在總結(jié)以往山地掉層結(jié)構(gòu)的研究成果基礎(chǔ)上，探討了山地掉層框架結(jié)構(gòu)的消能減震設(shè)計方法，針對山地陡坎地基為基巖情況，通過將底部不等高約束框架等代為普通等高約束框架模型，利用該等代模型采用兩種阻尼常數(shù)分配方法進行阻尼器的參數(shù)設(shè)計，然后將所設(shè)計的阻尼器附加給原結(jié)構(gòu)，對結(jié)構(gòu)進行了不同水準地震作用下的動力時程分析，對結(jié)構(gòu)減震前后的抗震性能進行了對比研究，得到了不同掉層跨數(shù)和層數(shù)的掉層結(jié)構(gòu)減震前后的抗震性能規(guī)律。 本文得出的主要結(jié)論如下：
①  利用等代模型進行阻尼器的參數(shù)設(shè)計，再附加到原結(jié)構(gòu)的減震設(shè)計思路，其有效性受山地掉層結(jié)構(gòu)所掉層數(shù)和跨數(shù)的影響。就本文的算例結(jié)果而言，對于掉 1 層結(jié)構(gòu)，由于掉層層數(shù)少，該方法不受結(jié)構(gòu)所掉跨數(shù)的影響，所有結(jié)構(gòu)都能完全滿足預(yù)先設(shè)定的減震性能目標。對于掉 3 層結(jié)構(gòu)，當結(jié)構(gòu)所掉跨數(shù)為 3 跨及以上時，減震后不能滿足設(shè)定的減震性能目標；對于掉 5 層結(jié)構(gòu)，當結(jié)構(gòu)所掉跨數(shù)為 2 跨及以上時，減震后不能滿足設(shè)定的減震性能目標。 
②  由平均分配阻尼常數(shù)方法計算得到的減震結(jié)構(gòu)的上部樓層地震反應(yīng)相對更小，而與層剪力成正比分配方法卻能夠更好的減小結(jié)構(gòu)坎上 1、2 層層間位移角和層間剪力。與層剪力成正比分配方法計算得到的總阻尼常數(shù)更小，經(jīng)濟性更好，該方法能夠合理的考慮不同樓層對阻尼器性能需求的差異性，不同樓層的阻尼器出力差別較大，設(shè)計更加合理，因此本文建議優(yōu)先采用與層剪力成正比分配方法。 
③  掉層結(jié)構(gòu)的豎向不等高約束特性導(dǎo)致其掉層部位樓層的地震反應(yīng)一般較上部樓層更小。對于掉層層數(shù)為 5 層以內(nèi)的結(jié)構(gòu)，由于掉層部位的層間位移角遠小于性能目標限值，實際工程中出于經(jīng)濟性考慮，可以不考慮在該部位設(shè)置阻尼器。 
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參考文獻(略)

本文編號：68788