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为了考虑层间刚度对竖向不规则结构非线性静力分析结果的影响,提出了建筑结构考虑刚度变化的水平侧向力分布计算方法。在总结几种常见水平侧向力分布形式、分析单自由度体系运动方程的基础上,给出了单自由度、多自由度体系水平地震力与层间刚度的关系,提出了改进的水平侧向力分布形式。算例计算表明,可以找到多种侧向刚度不规则结构的薄弱层,得到的楼层侧移和层间位移角与时程分析结果符合较好。
该方法认为沿建筑物高度侧向力均匀分布,每一层的侧向力和该层的质量成正比。每一层的水平侧向力Fi可由下式计算:
Fi=αWi,式中,α为比例系数,Wi为第i楼层的重力荷载代表值。
水平侧向力均匀分布形式过于简单,只考虑了楼层质量对地震作用的影响,而没有考虑结构刚度、强度以及振型等参数对非线性分析结果的影响,计算结果与实际结构反应有较大的差异。
E· kalkan和S·K· Kunnath考虑振型的影响,提出了MMC水平侧向力分布形式:
Fj=∑αnΓnmφnSa (ζn ,Tn )
式中,αn为修正系数,可正可负;φn为n振型向量。
MMC分布形式实际为各振型对地震力贡献的线性组合,该方法虽然考虑多振型的影响,理论上也可以用于不规则结构,但是由于系数αn的不确定性,包括正负号的不确定,导致在具体计算时,要对各种可能出现的组合分别计算,并取其包络线作为最终结果,特别是在考虑多阶振型时,计算过程十分复杂。
除了上述水平侧向力分布形式,常见的还有按照结构第一振型分布的侧向力,以及其他按照结构某几个振型进行组合 ( 例如,SRSS组合方法)的分布形式。笔者通过计算比较,认为如果侧向力分布按照多个振型的组合形式分布,虽然得到的结果可以接受,但是计算过程还是偏于复杂,不利于实际工程应用。
竖向不规则结构和规则结构的一个显著区别就是侧向刚度有较大的突变,可见,竖向不规则结构在进行pushover分析时,必须考虑其刚度变化的特点,其水平侧向力分布也应该考虑刚度的影响。
在水平地震作用下质点的惯性力和质量成正比,这也就是pushover分析水平侧向力均匀分布的原因了。若忽略阻尼的影响,则质点惯性力与刚度也是成正比的。对于多自由度体系也可以得到同样的结论。层间刚度大则承受的水平地震力就越大,反之,亦然。在此,引入层间刚度对传统的水平侧向力分布进行修正,使其符合竖向不规则结构在地震作用下的水平惯性力分布。
非线性静力分析方法可以较为简便地预估结构的弹塑性反应,但仅取常见水平侧向力分布模型并不能满足实际工程的需要,例如高振型的影响和不规则结构的特殊性。对竖向不规则结构进行非线性时程分析,建立了水平侧向力分布与结构层刚度的关系式,从而提出了一种新的水平侧向力分布形式和方法。
1、均匀分布
侧向力沿建筑物高度均匀分布,每一层的侧向力和该层的质量成正比。只考虑了楼层质量对地震作用的影响,而没有考虑结构刚度、强度以及振型等参数对非线性分析结果的影响,计算结果与实际结构反应有较大的差异,只是一种近似粗略的非线性分析方法。
2、指数分布
为了说明不同楼层加速度的变化,需要考虑变形的不同模态以及振动时高振型的影响,FEMA-356推荐使用指数分布形式。
指数分布虽然考虑了振型的影响,其中,倒三角分布只考虑了第一振型的贡献,但是其分布形式含有假定结构的反应与其等效单自由度体系的反应相联系的意思,与多自由度体系的实际受力状态还是有一定的差别,且权函数的取值也有商榷之处。
对5种不规则结构进行非线性时程分析,得到各层的加速度反应值Sa,考虑各层的质量,从而求出各层水平地震惯性力Fi(取7条地震波时程分析结果的平均值),然后利用各层侧向刚度D,作出水平地震惯性力和侧向刚度关系曲线,并进行二次曲线拟合分析,得到刚度不规则结构水平侧向力分布形式:
ΔFi=(16.546 -3.031D 0.175D2)ΔVb
式中,D为各层侧向刚度,计算方法参照框架结构侧移计算的D值法,ΔVb为基底剪力增量。
在桥式类型起重机大车运行跑偏时,轨道侧面与车轮轮缘或水平导向轮之间会产生水平侧向力。
水平侧向力对起重机车轮及其轴承有着不良影响,侧向力通过起重机轨道作用于厂房结构。
水平侧向力可按照下式近似计算:
式中 ∑R----起重机产生侧向力一侧最大轮压之和;
λ---水平侧向力系数,与起重机跨度和大车轮距之比有关。
由于路面倾斜或者曲线行驶时的离心作用,侧向力作用于车轮中心沿y轴,侧偏力是地面给汽车的侧向反作用力。
油缸密封靠各部件配合度、密封件封油。受侧向力,时间长了,密封件会磨损,磨损了就漏油了。要避免受侧向力,比如安装方式选择。如果是垂直安装,如果安装时不够垂直,就会受侧向力,我们可以用耳环带万向轴承方式,...
这个范围很广的!一般主要就是指侧方向上的作用力!比如 火车在通过弯道处时,除了受到垂直导轨向上的力外,还可能受到铁轨“侧压力”。(这个力,近乎是水平的)当速度过大,外轨对火车有侧压力;速度过小,内轨对...
建筑结构考虑刚度变化的Pushover水平侧向力分布
为了考虑层间刚度对竖向不规则结构非线性静力分析结果的影响,提出了建筑结构考虑刚度变化的水平侧向力分布计算方法.在总结几种常见水平侧向力分布形式、分析单自由度体系运动方程的基础上,给出了单自由度、多自由度体系水平地震力与层间刚度的关系,提出了改进的水平侧向力分布形式.算例计算表明,本文方法可以找到多种侧向刚度不规则结构的薄弱层,得到的楼层侧移和层间位移角与时程分析结果符合较好.
刀翼式PDC钻头的侧向力平衡设计
聚晶金刚石(PDC)钻头的侧向不平衡力是造成钻头涡动的主要原因之一,而侧向不平衡力取决于钻头的布齿结构,通过合理的布齿结构设计,可有效地控制侧向不平衡力的大小。在对PDC钻头进行受力分析的基础上,建立了PDC钻头受力计算模型,提出了通过调整刀翼周向位置使钻头的侧向不平衡力达到最小的优化设计方法。利用该方法进行了实例计算,结果表明,该设计方法能将PDC钻头的侧向不平衡力控制在钻压的1%以内。
在侧向力作用下,框筒结构的受力既相似于薄壁箱形结构,又有其自身的特点。从材料力学可知,当侧向力作用于箱形结构时,箱形结构截面内的正应力均呈线性分布,其应力图形在翼缘方向为矩形,在腹板方向为-拉一压两个三角形;但当侧向力作用于框筒结构时,框筒底部柱内正应力沿框筒水平截面的分布不是呈线性关系,而是呈曲线分布。如图15-55所示。正应力在角柱较大,在中部逐渐减小,这种现象称为剪力滞后效应。这是由于翼缘框架中梁的剪切变形和梁、柱的弯曲变形所造成的。同时,在框筒结构的顶部,角柱内的正应力反而小于翼缘框架中柱内的正应力,这一现象称为负剪力滞后效应。事实上,对于实腹的箱形截面,当考虑板内纵向剪切变形影响时,其横截面内的正应力分布也有剪力滞后或负剪力滞后的现象出现。
由于剪力滞后效应的影响,使得角柱内的轴力加大。而远离角柱的柱子则由于剪力滞后效应仅有较小的应力,不能充分发挥材料的作用,也减小了结构的空间整体抗侧刚度。为了减少剪力滞后效应的影响,在结构布置时要采取一系列措施,如减小柱间距,加大窗裙梁的刚度,调整结构平面使之接近于正方形,控制结构的高宽比等。
在筒体结构中,侧向力所产生的剪力主要由其腹板部分承担。对于筒中筒结构,则主要由外筒的腹板框架和内筒的腹板部分承担。外力所产生的总剪力在内外筒之间的分配与内外筒之间的抗侧刚度比有关。且在不同的高度,侧向力在内外筒之间的分配比例是不同的。一般来说,在结构底部,内筒承担了大部分剪力,外筒承担的剪力很小,例如在深圳国贸中心大厦的底层,外筒承担的剪力占外荷载总剪力的27%,内简承担的剪力占总剪力的73%。
侧向力所产生的弯矩则由内外筒共同承担。由于外筒柱离建筑平面形心较远,故外筒柱内的轴力所形成的抗倾覆弯矩极大。在外筒中,翼线框架又占了其中的主要部分,角柱也发挥了十分重要的作用。而外筒腹板框架柱及内筒腹板墙肢的局部弯曲所产生的弯矩极小。例如在深圳国贸中心大厦的底层,为平衡侧向力所产生的弯矩,外框筒柱内轴力所形成的弯矩占50.4%,内筒墙肢轴力所形成的弯矩占40.3%,而外框筒柱和内筒墙肢的局部弯曲所产生的弯矩仅占2.7%和6.6%。
由以上的分析可以看出,在框筒结构或筒中筒结构中,尽管受到剪力滞后效应的影响,翼缘框架柱内的应力比材料力学结果要小,但翼缘框架对结构抵抗侧向力仍有十分重要的作用,这说明结构仍有十分强的空间整体工作性能,从而达到节省材料,降低造价的目的。这就是框筒结构或筒中筒结构被广泛地应用于高层建筑的主要原因。
框筒结构或筒中筒结构在侧向力作用下的侧向位移曲线呈弯剪型。这是因为在侧向力作用下,腹板框架将发生剪切型的侧向位移变形曲线,而翼线框架一侧受拉、一侧受压的受力状态则将形成弯曲型的变形曲线,内筒也将发生弯曲型的变形曲线,共同工作的结果将使整个结构的侧向位移曲线是弯剪型。
在高层建筑中,通常每隔数层就有一个设备层,布置水箱、空调机房、电梯机房或安置一些其他设备。这些设备层在立面上一般没有或很少有布置门窗洞口的要求,因此,可以利用该设备层的高度,布置一些强度和刚度都很大的水平构件(桁架或现浇钢筋混凝土大梁),即形成水平加强层或称为刚性层的作用,这些水平构件既连接建筑物四周的柱子,又将核心筒和外柱连接起来,可约束周边框架和核心筒的变形,减少结构在水平荷载作用下的侧移量,并使各竖向构件的变形趋于均匀,减少楼盖结构的翘曲。这些大梁或大型桁架如与布置在建筑物四周的大型柱子或钢筋混凝土井筒整体连接,便形成具有强大抗侧刚度的巨型框架结构。这种巨型框架结构可以作为独立的承重结构,也可作为筒体结构中的加强构件。
筒体结构在侧向力作用下有哪些受力特点?
在侧向力作用下,框筒结构的受力既相似于薄壁箱形结构,又有其自身的特点。从材料力学可知,当侧向力作用于箱形结构时,箱形结构截面内的正应力均呈线性分布,其应力图形在翼缘方向为矩形,在腹板方向为-拉一压两个三角形;但当侧向力作用于框筒结构时,框筒底部柱内正应力沿框筒水平截面的分布不是呈线性关系,而是呈曲线分布。如图15-55所示。正应力在角柱较大,在中部逐渐减小,这种现象称为剪力滞后效应。这是由于翼缘框架中梁的剪切变形和梁、柱的弯曲变形所造成的。同时,在框筒结构的顶部,角柱内的正应力反而小于翼缘框架中柱内的正应力,这一现象称为负剪力滞后效应。事实上,对于实腹的箱形截面,当考虑板内纵向剪切变形影响时,其横截面内的正应力分布也有剪力滞后或负剪力滞后的现象出现。
由于剪力滞后效应的影响,使得角柱内的轴力加大。而远离角柱的柱子则由于剪力滞后效应仅有较小的应力,不能充分发挥材料的作用,也减小了结构的空间整体抗侧刚度。为了减少剪力滞后效应的影响,在结构布置时要采取一系列措施,如减小柱间距,加大窗裙梁的刚度,调整结构平面使之接近于正方形,控制结构的高宽比等。
在筒体结构中,侧向力所产生的剪力主要由其腹板部分承担。对于筒中筒结构,则主要由外筒的腹板框架和内筒的腹板部分承担。外力所产生的总剪力在内外筒之间的分配与内外筒之间的抗侧刚度比有关。且在不同的高度,侧向力在内外筒之间的分配比例是不同的。一般来说,在结构底部,内筒承担了大部分剪力,外筒承担的剪力很小,例如在深圳国贸中心大厦的底层,外筒承担的剪力占外荷载总剪力的27%,内简承担的剪力占总剪力的73%。
侧向力所产生的弯矩则由内外筒共同承担。由于外筒柱离建筑平面形心较远,故外筒柱内的轴力所形成的抗倾覆弯矩极大。在外筒中,翼线框架又占了其中的主要部分,角柱也发挥了十分重要的作用。而外筒腹板框架柱及内筒腹板墙肢的局部弯曲所产生的弯矩极小。例如在深圳国贸中心大厦的底层,为平衡侧向力所产生的弯矩,外框筒柱内轴力所形成的弯矩占50.4%,内筒墙肢轴力所形成的弯矩占4O.3%,而外框筒柱和内筒墙肢的局部弯曲所产生的弯矩仅占2.7%和6.6%。
由以上的分析可以看出,在框筒结构或筒中筒结构中,尽管受到剪力滞后效应的影响,翼缘框架柱内的应力比材料力学结果要小,但翼缘框架对结构抵抗侧向力仍有十分重要的作用,这说明结构仍有十分强的空间整体工作性能,从而达到节省材料,降低造价的目的。这就是框筒结构或筒中筒结构被广泛地应用于高层建筑的主要原因。
框筒结构或筒中筒结构在侧向力作用下的侧向位移曲线呈弯剪型。这是因为在侧向力作用下,腹板框架将发生剪切型的侧向位移变形曲线,而翼线框架一侧受拉、一侧受压的受力状态则将形成弯曲型的变形曲线,内筒也将发生弯曲型的变形曲线,共同工作的结果将使整个结构的侧向位移曲线是弯剪型。
在高层建筑中,通常每隔数层就有一个设备层,布置水箱、空调机房、电梯机房或安置一些其他设备。这些设备层在立面上一般没有或很少有布置门窗洞口的要求,因此,可以利用该设备层的高度,布置一些强度和刚度都很大的水平构件(桁架或现浇钢筋混凝土大梁),即形成水平加强层或称为刚性层的作用,这些水平构件既连接建筑物四周的柱子,又将核心筒和外柱连接起来,可约束周边框架和核心筒的变形,减少结构在水平荷载作用下的侧移量,并使各竖向构件的变形趋于均匀,减少楼盖结构的翘曲。这些大梁或大型桁架如与布置在建筑物四周的大型柱子或钢筋混凝土井筒整体连接,便形成具有强大抗侧刚度的巨型框架结构。这种巨型框架结构可以作为独立的承重结构,也可作为筒体结构中的加强构件。
在侧向力作用下,框筒结构的受力既相似于薄壁箱形结构,又有其自身的特点。从材料力学可知,当侧向力作用于箱形结构时,箱形结构截面内的正应力均呈线性分布,其应力图形在翼缘方向为矩形,在腹板方向为-拉一压两个三角形;但当侧向力作用于框筒结构时,框筒底部柱内正应力沿框筒水平截面的分布不是呈线性关系,而是呈曲线分布。如图15-55所示。正应力在角柱较大,在中部逐渐减小,这种现象称为剪力滞后效应。这是由于翼缘框架中梁的剪切变形和梁、柱的弯曲变形所造成的。同时,在框筒结构的顶部,角柱内的正应力反而小于翼缘框架中柱内的正应力,这一现象称为负剪力滞后效应。事实上,对于实腹的箱形截面,当考虑板内纵向剪切变形影响时,其横截面内的正应力分布也有剪力滞后或负剪力滞后的现象出现。
由于剪力滞后效应的影响,使得角柱内的轴力加大。而远离角柱的柱子则由于剪力滞后效应仅有较小的应力,不能充分发挥材料的作用,也减小了结构的空间整体抗侧刚度。为了减少剪力滞后效应的影响,在结构布置时要采取一系列措施,如减小柱间距,加大窗裙梁的刚度,调整结构平面使之接近于正方形,控制结构的高宽比等。
在筒体结构中,侧向力所产生的剪力主要由其腹板部分承担。对于筒中筒结构,则主要由外筒的腹板框架和内筒的腹板部分承担。外力所产生的总剪力在内外筒之间的分配与内外筒之间的抗侧刚度比有关。且在不同的高度,侧向力在内外筒之间的分配比例是不同的。一般来说,在结构底部,内筒承担了大部分剪力,外筒承担的剪力很小,例如在深圳国贸中心大厦的底层,外筒承担的剪力占外荷载总剪力的27%,内简承担的剪力占总剪力的73%。
侧向力所产生的弯矩则由内外筒共同承担。由于外筒柱离建筑平面形心较远,故外筒柱内的轴力所形成的抗倾覆弯矩极大。在外筒中,翼线框架又占了其中的主要部分,角柱也发挥了十分重要的作用。而外筒腹板框架柱及内筒腹板墙肢的局部弯曲所产生的弯矩极小。例如在深圳国贸中心大厦的底层,为平衡侧向力所产生的弯矩,外框筒柱内轴力所形成的弯矩占50.4%,内筒墙肢轴力所形成的弯矩占4O.3%,而外框筒柱和内筒墙肢的局部弯曲所产生的弯矩仅占2.7%和6.6%。
由以上的分析可以看出,在框筒结构或筒中筒结构中,尽管受到剪力滞后效应的影响,翼缘框架柱内的应力比材料力学结果要小,但翼缘框架对结构抵抗侧向力仍有十分重要的作用,这说明结构仍有十分强的空间整体工作性能,从而达到节省材料,降低造价的目的。这就是框筒结构或筒中筒结构被广泛地应用于高层建筑的主要原因。
框筒结构或筒中筒结构在侧向力作用下的侧向位移曲线呈弯剪型。这是因为在侧向力作用下,腹板框架将发生剪切型的侧向位移变形曲线,而翼线框架一侧受拉、一侧受压的受力状态则将形成弯曲型的变形曲线,内筒也将发生弯曲型的变形曲线,共同工作的结果将使整个结构的侧向位移曲线是弯剪型。
在高层建筑中,通常每隔数层就有一个设备层,布置水箱、空调机房、电梯机房或安置一些其他设备。这些设备层在立面上一般没有或很少有布置门窗洞口的要求,因此,可以利用该设备层的高度,布置一些强度和刚度都很大的水平构件(桁架或现浇钢筋混凝土大梁),即形成水平加强层或称为刚性层的作用,这些水平构件既连接建筑物四周的柱子,又将核心筒和外柱连接起来,可约束周边框架和核心筒的变形,减少结构在水平荷载作用下的侧移量,并使各竖向构件的变形趋于均匀,减少楼盖结构的翘曲。这些大梁或大型桁架如与布置在建筑物四周的大型柱子或钢筋混凝土井筒整体连接,便形成具有强大抗侧刚度的巨型框架结构。这种巨型框架结构可以作为独立的承重结构,也可作为筒体结构中的加强构件。