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基础刚度对高层建筑抗震设计的影响分析

邸博  
【摘要】:现有的结构抗震理论和计算方法大多采用刚性地基假定,并按嵌固端进行设计。各国抗震设计规范亦普遍采用刚性地基假定并提出相应的设计方法,通过引入折减系数的方法近似考虑基础刚度和地基辐射阻尼的影响,趋于认为基于嵌固端计算模型所得计算结果会对其他计算模型所得计算结果形成包络,即认为有限基础刚度对高层建筑抗震设计一定是一个有利因素。本文研究发现,客观存在的基础刚度将显著改变建筑结构的地震响应特点,其局部响应亦有可能被放大,忽略有限基础刚度的影响,有可能对建筑结构抗震设计造成“整体保守,局部危险”的不利影响。 论文主要围绕基础刚度对高层建筑侧移刚度、内力分布以及整体稳定的影响三部分展开,并考虑了基础平动刚度和转动刚度的耦合影响。采用结构力学的分析方法,提出了基于有限基础刚度的剪切型结构D值法修正表达式以及弯曲型结构侧移刚度的计算方法,所提公式将传统D值法涵盖其中,拓展了D值法的应用范围,且形式简单,方便应用;重点分析了基础刚度对高层建筑重力二阶效应以及整体稳定的影响,建立了以刚重比为控制指标的结构侧向位移增幅表达式,并与嵌固端情况进行比较。研究发现,考虑有限基础刚度的影响后,宜更为严格的控制结构刚重比以满足建筑结构整体稳定性的要求。通过理论分析所建立的相关表达式具有较好的普适性,克服了土-结相互作用一体化有限元分析难以归纳得到一般化结论的弊端。 通过改变结构的边界条件可将嵌固端计算模型过渡为有限基础刚度计算模型,针对具有桩基基础的典型高层建筑结构进行了有限元分析。分别采用设计反应谱和动力弹性时程分析方法,验证了前述理论分析的正确性,同时获得了基础刚度对上部结构地震响应的影响规律。有限元计算结果表明,嵌固端抗震计算模型夸大了地基和基础对上部结构竖向构件的约束能力,高估了底层框架柱的抗推刚度特征值,框架结构在地震作用下将出现超过预期范围的底层层间位移,基础刚度的降低将加大下部楼层的延性要求;考虑有限基础刚度影响后,总地震作用虽趋于降低,构件内力发生重分布,底层框架柱上截面弯矩值放大明显,相应的柱底弯矩值则有所减小。讨论了结构顶点水平位移增幅与基础平动刚度之间的关系,并提出了最小基础平动刚度限值要求。汶川地震震害表明底层柱顶弯曲破坏是框架结构的主要震害类型之一,本文的理论分析和数值计算结果可以较好的解释该震害现象,间接证明了分析方法的正确性。


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