地基—基礎(chǔ)—高層建筑結(jié)構(gòu)在不同地震動輸入下的地震反應(yīng)分析.pdf

1、在各類自然災(zāi)害中,地震給建筑物帶來的損害是巨大的。抗震設(shè)計是各類工程結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一?，F(xiàn)代抗震設(shè)計理論包含四部分內(nèi)容：地震動輸入、結(jié)構(gòu)模型化、結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析及抗震設(shè)計原則。近年來,結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論得到了快速發(fā)展,但對于地震動輸入的研究仍然落后于其它三部分的研究,存在著精確的結(jié)構(gòu)分析方法與粗略的設(shè)計地震動輸入之間的矛盾,這種落后狀況從整體上制約了工程抗震安全性評價的可靠性和精度。如何采用合理地震動輸入方式對結(jié)構(gòu)進行地震反應(yīng)分析,

2、并且便于工程實踐應(yīng)用是擺在廣大學(xué)者和工程技術(shù)人員面前的難題。通常情況下,建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的地震反應(yīng)分析大多基于剛性地基假定,計算模型僅考慮上部結(jié)構(gòu),地震動輸入采用自由場的地表地震動。對于上部重量不大、幾何尺寸較小建造在堅硬地基上的建筑物,這種剛性地基假定是合理的；如果結(jié)構(gòu)置于一般地基特別是軟土地基上時,這種輸入方式就忽略了土-結(jié)構(gòu)的動力相互作用,與上述理想化模型存在三個方面不一致：首先,上部建筑物的存在造成了結(jié)構(gòu)界面對波的散射,基礎(chǔ)接

3、收到的地震動的大小和空間分布不同于自由場情況；其次,由于土層相對柔性,使結(jié)構(gòu)體系的自振頻率降低,自振周期延長,在土層較厚時,基頻遠低于基巖入射波頻率,結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)會有所不同；再次,由于地基的無限性,結(jié)構(gòu)振動的部分能量會以外行輻射波的形式向無限地基逸散,形成輻射阻尼,同時部分能量通過土的材料阻尼消耗。綜上所述,土-結(jié)構(gòu)動力相互作用具有三個明顯的效應(yīng)：一是改變結(jié)構(gòu)的動力特性,二是增大了系統(tǒng)的等效阻尼,三是對基巖的輸入波放大效應(yīng)。由于土-結(jié)

4、構(gòu)動力相互作用顯著的改變結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)和動力特性,所以在進行高層建筑地震反應(yīng)分析時,土-結(jié)構(gòu)的動力相互作用的效應(yīng)不可忽視。本文對考慮土-結(jié)構(gòu)動力相互作用的地震動輸入問題的研究背景、分析方法、研究意義進行歸納和總結(jié),以實際工程項目——陜西省信息大廈為背景,建立剛性地基模型以及考慮土-結(jié)構(gòu)動力相互作用基于剛性基底和柔性基底的自由場輸入有限元模型。針對不同的地震動輸入方式,利用大型通用有限元軟件ANSYS對結(jié)構(gòu)體系進行地震反應(yīng)分析,得到不同地震

5、動輸入下結(jié)構(gòu)的響應(yīng),分析由于地震動輸入方式的差異對結(jié)果造成的影響,本文的主要內(nèi)容如下：(1)對近些年來土-結(jié)構(gòu)動力相互作用問題的研究成果進行系統(tǒng)總結(jié),對地震動輸入方式、人工虛擬邊界、土體非線性、地震動參數(shù)的選取、地震反應(yīng)分析方法、自由場分析等一系列問題進行歸納和整理。(2)針對本文工程實例——陜西省信息大廈,以大型通用軟件ANSYS為平臺,建立剛性地基情況下的有限元模型以及考慮地基-基礎(chǔ)-高層建筑結(jié)構(gòu)相互作用的有限元模型,應(yīng)用ANSYS

6、參數(shù)化設(shè)計語言(APDL)建立集中粘彈性人工邊界,并總結(jié)粘彈性人工邊界在大型通用軟件中的實現(xiàn)方法。(3)對信息大廈所在土層進行自由場地震反應(yīng)分析,基于一維重復(fù)反射波動理論,建立一維水平成層地基波動模型,應(yīng)用SHAKE91程序頻域內(nèi)求解成層地基的自由場的暫態(tài)地震響應(yīng),得到各層加速度時程,應(yīng)力時程等,為后續(xù)的自由場輸入方式的研究提供依據(jù)。(4)針對信息大廈的剛性地基模型和考慮剛性基底的地基-基礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)動力相互作用有限元模型,依據(jù)現(xiàn)行抗震

7、規(guī)范要求選取兩條強震記錄的地震波,輸入一個水平向的加速度地震動時程,進行地震反應(yīng)分析,分析不同輸入方式下結(jié)構(gòu)體系的位移、加速度、反應(yīng)譜等。通過對比,體現(xiàn)地震動輸入方式不同對結(jié)果的影響。(5)對考慮柔性基底的地基-基礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)動力相互作用有限元模型進行時程分析。把自由場地地震反應(yīng)得到的各土層層頂?shù)乃俣葧r程、位移時程和應(yīng)力時程進行組裝,得到等效節(jié)點力時程,施加到人工邊界節(jié)點上,求解結(jié)構(gòu)體系的動力反應(yīng),與考慮剛性基底情況下的結(jié)果進行比較,分