地基—基礎—高層建筑結構在不同地震動輸入下的地震反應分析.pdf

1、在各類自然災害中,地震給建筑物帶來的損害是巨大的?？拐鹪O計是各類工程結構設計過程中的關鍵環(huán)節(jié)之一。現(xiàn)代抗震設計理論包含四部分內容：地震動輸入、結構模型化、結構反應分析及抗震設計原則。近年來,結構抗震設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,存在著精確的結構分析方法與粗略的設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構進行地震反應分析,

2、并且便于工程實踐應用是擺在廣大學者和工程技術人員面前的難題。通常情況下,建筑結構抗震設計中的地震反應分析大多基于剛性地基假定,計算模型僅考慮上部結構,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；如果結構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-結構的動力相互作用,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構界面對波的散射,基礎接

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,使結構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,結構的動力響應會有所不同；再次,由于地基的無限性,結構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-結構動力相互作用具有三個明顯的效應：一是改變結構的動力特性,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。由于土-結

4、構動力相互作用顯著的改變結構動力響應和動力特性,所以在進行高層建筑地震反應分析時,土-結構的動力相互作用的效應不可忽視。本文對考慮土-結構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,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-結構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對結構體系進行地震反應分析,得到不同地震

5、動輸入下結構的響應,分析由于地震動輸入方式的差異對結果造成的影響,本文的主要內容如下：(1)對近些年來土-結構動力相互作用問題的研究成果進行系統(tǒng)總結,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-高層建筑結構相互作用的有限元模型,應用ANSYS

6、參數(shù)化設計語言(APDL)建立集中粘彈性人工邊界,并總結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分析,基于一維重復反射波動理論,建立一維水平成層地基波動模型,應用SHAKE91程序頻域內求解成層地基的自由場的暫態(tài)地震響應,得到各層加速度時程,應力時程等,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-上部結構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,進行地震反應分析,分析不同輸入方式下結構體系的位移、加速度、反應譜等。通過對比,體現(xiàn)地震動輸入方式不同對結果的影響。(5)對考慮柔性基底的地基-基礎-上部結構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得到的各土層層頂?shù)乃俣葧r程、位移時程和應力時程進行組裝,得到等效節(jié)點力時程,施加到人工邊界節(jié)點上,求解結構體系的動力反應,與考慮剛性基底情況下的結果進行比較,分