地震激励下高层连体结构的振动响应分析+MATLAB程序(2)

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1绪论 1.1课题提出地震是目前对人类危害最为严重的天灾之一，全球每年发生大大小小的地震数以万计。我国处于环太平洋火山地震带和喜马拉雅山脉地震带，是地震高发的地区之一。近年来先后发生过四川汶川大地震和雅安大地震，给人民生命财产安全造成重大损失。究其原因，地震造成的建筑物的毁坏是导致安全隐患的元凶。建筑的抗震性能已引起国内外科学家的高度重视，由此引出了建筑抗震设计这一重要课题【1】。
1.2高层连体结构的国内外应用和研究现状随着震害经验的积累和强烈地震观测记录的增多, 人们对地震振动幅值和频谱特性及其影响因素有了更深刻的认识。美国地震学家 Biot 所提出的反应谱概念和地震工程学家Housner 提出的标准反应谱将抗震设计理论推向了反应谱阶段。作为一种准动力理论,反应谱理论已成为许多国家抗震设计规范目前仍然采用的主要方法。它以弹性理论为基础, 通过反应谱考虑了地震振动幅值和频谱特性以及结构的部分动力特性(主要包括自振周期、振型和阻尼) ,缺点是不能反映地震振动强震作用下结构的非线性行为。由于非线性问题的复杂性, 之后考虑结构的非线性特性而提出的弹塑性反应谱则难以应用于工程抗震设计。随着认识的进一步深入，计算机技术和结构动力试验技术的发展, 加之一些重要工程和特殊复杂结构抗震设计的要求,以了解结构在整个地震振动时输入过程中的动力行为为基础的动力分析理论自70 年代以来起发展迅速,并逐渐成为抗震设计的主要方法之一。对于地震地面运动随机性的认识,使得以随机振动理论为基础的概率设计理论近年来也有了长足的发展（本课题对此有所涉及）。
动力设计理论和概率设计理论对地震振动的输入提出了更高的要求, 对于工程地震动的模型化不仅要以较高的精度满足所需要的幅值、频谱和持时等方面的特性,还要能反映地震动本身特点或包含有与地震振动记录相一致的信息。而且从随机振动理论出发还应满足具有统计意义的同一集系列的地震振动多次取样的需求。高层连体结构是二十世纪八十年代中后期逐渐发展起来的一种复杂结构体系，国内多层及高层结构分析程序如TBSA和TAT的早期版本皆采用楼层平面无限刚假定，无法胜任多、高层连体结构的分析，当时的设计人员常将双塔按单塔考虑，然后再适当考虑二者的相互作用，上述方法均不能很好地考虑这种结构体系所特有的动力特性和受力性能，势必造成较大的误差甚至是错误的结果。随后发展起来的MTBSA和TAT新版本采用了楼层分块无限刚假定，从而使得多塔和连体结构的分析问题得到了较好解决。但在这种分析模型中，连体结构中的塔楼和连体相连楼层被当作一个刚性层，源]自{751·~论\文}网·www.751com.cn/ 当连体水平面的刚度较大时，这一假定是正确的，当连体水平面的刚度相对较小时则会产生较大的误差，尤其是对于非对称连体结构。中国建筑科学研究院的高层建筑结构空间有限元分析软件SATWE在采用楼层分块无限刚假定的同时，也引入了弹性楼板的概念，这样塔楼平面可采用刚性楼盖，大大减小了结构的自由度，而平面刚度较弱的连体部分当作弹性楼板，对于连体结构这样的处理使得计算模型在效率和精度之间达到了较好的平衡。由于地震振动将地震学与工程抗震这两个学科紧密地联系在一起，地震的研究也形成了两种途径。其一：从工程角度出发,以研究地震所引起的结构响应为目的, 主要采用经验统计方法。从已知的观测资料中确定与结构响应密切相关的参数的统计特征,从而提出适于工程应用的振动模型，对于模型的物理意义考虑较少甚至不预考；其二，是从地震学和地球物理学的角度出发, 以了解震源机制、地质结构和预测地震为主要目的, 采用震源理论与波动理论相结合的方法，预测某区域未来一定大小的地震在特定方位和特定场地产生的地震时程,提出地震的物理模型。连体结构以其独特的造型和新颖的现代化气息为国内外广大建筑师所青睐。连体结构是指两个或多个结构由设置在一定高度处的连廊连接的结构。高层连体结构的动力特性和抗震性能已经引起国内外建筑学家和工程技术人员的广发关注，通过翻阅各类文献可知，目前已有相当数量的技术资料对这种结构进行理论分析和技术研究。本文将这种连体结构模型作出简化，已达到简洁直观的目的，便于初步研究和分析。 1.3连体结构的特点连体结构的受力比一般单体结构或多塔楼结构复杂，主要有如下几个特点【3】： (1)扭转振动变形较大，扭转效应明显与其他结构相比，连体结构在风或地震的作用下，结构除产生平动变形外，还将产生扭转变形。除顺向振型外，还出现反向振型，扭转振型丰富。