結(jié)構(gòu)底面積對地基土-高層建筑相互作用地震反應(yīng)影響分析.pdf

1、近年來隨著施工技術(shù)的進(jìn)步,新型建筑材料的出現(xiàn),以及機(jī)械及計(jì)算機(jī)技術(shù)在建筑行業(yè)的廣泛應(yīng)用,高層建筑的發(fā)展具備了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)和建設(shè)條件,建筑規(guī)模和建筑高度一直在不斷增加。在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中,結(jié)構(gòu)抗震分析是一個重要的課題。然而將結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)分別獨(dú)立設(shè)計(jì)的剛性基礎(chǔ)假設(shè)方法,已經(jīng)不能滿足實(shí)際工程需要,隨著現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)理論的逐步完善,地基土-高層結(jié)構(gòu)動力相互作用的分析方法越來越多的應(yīng)用到工程抗震分析中。在土-結(jié)構(gòu)相互作用問題的研究中,地基的特性、結(jié)

2、構(gòu)的平面尺寸以及結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)埋深等,都對建筑地震反應(yīng)有著不同程度的影響,可以通過對比分析,找出每種考慮因素對地震反應(yīng)分析的影響規(guī)律,進(jìn)一步完善土-結(jié)構(gòu)相互作用理論成果。針對這一課題,論文運(yùn)用數(shù)值方法進(jìn)行了一系列的分析,主要的創(chuàng)新工作與成果有:
　　(1)基于有限元分析方法建立了土-結(jié)構(gòu)相互作用計(jì)算模型,選取15層框架結(jié)構(gòu)為計(jì)算算例,設(shè)定三種不同底面積但周期相近的框架結(jié)構(gòu),進(jìn)行地震反應(yīng)時(shí)程分析,為了在三維模型中提高計(jì)算效率,使用超單元

3、方法以節(jié)省計(jì)算時(shí)間。通過二維模型和三維彈塑性帶樁基模型計(jì)算,取得了較為一致的結(jié)論,結(jié)果表明:由于結(jié)構(gòu)的自振周期與結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量有關(guān),當(dāng)結(jié)構(gòu)跨度、梁柱尺寸及單位質(zhì)量相同時(shí),不同底面積結(jié)構(gòu)的自振周期基本相近;考慮相互作用之后,結(jié)構(gòu)自振周期明顯增大,此時(shí)體系的地震反應(yīng)不僅與體系本身性質(zhì)有關(guān),還與土體對結(jié)構(gòu)的約束力大小密切相關(guān)。
　　(2)考慮土體與結(jié)構(gòu)相互作用后,在同一種地震波作用下,結(jié)構(gòu)頂層總位移較剛性基礎(chǔ)頂層位移有所增大,且隨著結(jié)

4、構(gòu)底面積的增大而減小,由基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動引起的位移隨著結(jié)構(gòu)底面積的增大而明顯減小,上部結(jié)構(gòu)自身位移,在總位移中所占比例以及平均基底剪力隨著底面積的增加而增大。三種不同底面積相互作用體系上部結(jié)構(gòu)的層間位移曲線則有較大差別,上部結(jié)構(gòu)的層間位移峰值小于剛性基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的層間位移峰值。土體剛度越大,相互作用影響效果越小,上部結(jié)構(gòu)頂層的位移反應(yīng)峰值也越小,結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動位移和平動位移數(shù)值減小。比較不同特性的地震波,不同底面積結(jié)構(gòu)頂層總位移、基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動、基礎(chǔ)平動、結(jié)

5、構(gòu)自身位移和內(nèi)力的變化規(guī)律趨勢相同。
　　(3)同一種平面尺寸,結(jié)構(gòu)頂層總位移隨著基礎(chǔ)埋深的增大而減小,上部結(jié)構(gòu)位移在總位移中所占比例以及平均基底剪力均隨著基礎(chǔ)埋深的增加而增大。與增加底面積的模型相比較,增加結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)埋深,對減小結(jié)構(gòu)頂層總位移,特別是減小基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動的效果更為顯著。在不同的地震波作用下,考慮相互作用之后,不同埋置深度結(jié)構(gòu)的最大層間位移變化曲線形狀基本一致。層間位移峰值均發(fā)生在結(jié)構(gòu)第三、四層附近,且基礎(chǔ)埋深最大的結(jié)構(gòu)層間

6、位移峰值最大,但均小于剛性基礎(chǔ)時(shí)的最大層間位移角值。
　　(4)為了進(jìn)一步考察在一般情況下改變底面積對土-結(jié)構(gòu)相互作用地震反應(yīng)的影響,基于抗震設(shè)計(jì)中反應(yīng)譜理論,探討底面積對土-結(jié)構(gòu)相互作用地震反應(yīng)譜的影響。針對不同場地條件選取一定數(shù)量的地震波,建立土-結(jié)構(gòu)整體彈性體系三維數(shù)值分析模型進(jìn)行動力分析,求得上部結(jié)構(gòu)與土體之間交界面上的耦合作用,將此耦合作用與原地震波疊加后,得到上部結(jié)構(gòu)實(shí)際受到的考慮了相互作用之后的地震波作用,即為修正地

7、震波,并繪出此修正地震波的反應(yīng)譜曲線并求得平均值。對影響修正地震波反應(yīng)譜曲線變化的各種因素進(jìn)行定性的分析,得出一些規(guī)律性結(jié)論:由于原地震波特性不同,場地土對原地震波的吸收與放大程度均不相同,但所得修正地震波加速度峰值均有不同程度的減小,且修正地震波平均反應(yīng)譜曲線峰值也較原地震波減小;結(jié)構(gòu)底面積越大,結(jié)構(gòu)受到土體的約束力越大,修正地震波反應(yīng)譜曲線峰值越小;同一底面積結(jié)構(gòu),土體越軟,土-結(jié)構(gòu)相互作用效果越顯著,修正地震波反應(yīng)譜曲線的峰值越小