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远场地震动作用下土—结构相互作用对深厚土层上高层建筑的影响

张继文  
【摘要】:地震时土体与结构相互作用是一个普遍且复杂的问题。1985年墨西哥地震和2008年汶川地震对远震区的中、高层建筑造成了严重破坏。当前对于深厚土层上的高层建筑抗震设计是基于刚性地基假设之上的,并没有考虑土-结构的相互作用。本文围绕深厚软弱地基上不同的上部结构形式、基础形式对高层建筑抗震性能的影响和输入地震动频谱特征对深厚软弱地基上高层建筑抗震性能的影响这两个方面展开研究,具体进行近、中和场地震动作用下土-结构相互作用对深厚土层上高层建筑影响的研究。 当前对地震学和地震工程学中的近场和远场地震动的概念的使用交叉混乱,本文总结了近场和远场地震在地震学和地震工程学中的提法和区别,并认为在研究本文方向工作时,可以将近场、近源和近断层地震动统一称为近场地震动。并总结了汶川地震中近、远场地震动分别对工程结构的影响。 本文采用整体有限元法对土-结构相互作用体系分别进行二维和三维建模,并采用MSC.Marc作为分析工具。在建模方法中,对上部结构分析模型、基础分析模型、地基土体模型、土体本构关系的选用、材料阻尼的施加、土体人工边界条件的施加、土体计算区域的确定、地震激励的选择及输入给出了详细介绍。在静力分析时,土体的本构关系采用Duncan-Chang(E-B)模型;在动力分析时,土体的本构关系采用等价非线性粘-弹性模型。MSC.Marc并不自带这两个本构模型,本文采用FORTRAN语言工具编写了这两个子程序,并将之嵌入到MSC.Marc中。人工边界条件选用粘-弹性人工边界条件将土体从有限域转变成无限域。 鉴于计算效率的问题,本文采用二维分析模型进行土-结构相互作用对深厚土层上高层建筑的影响研究。根据本文所介绍的土-结构相互作用体系模型的建立方法,首先对三栋结构形式分别为框架、框架-核心筒、框架-剪力墙的高层建筑进行二维建模。本文对土-结构相互作用体系模型分别施加汶川地震动所获取的三条近、中、远场基岩地震动,得到上部结构的地震反应。然后通过土层反应分析,将基岩波生成地表波。再对三栋高层做刚性地基假设,输入近、中、远场的地震动的地表波,得到上部结构的地震反应,并将考虑与不考虑土-结构相互作用的高层反应结果进行对比。最后得到的主要结论有:土层对地震动的放大效应受场地条件和基岩输入地震动频谱特性的影响,深厚软弱土层对于远场地震动的放大效应比近场地震动要显著;如果结构的基频与场地的基频相接近时,结构的反应会比较剧烈,即发生所谓的共振现象,这一结论在算例一中得到了体现;当结构的基频与土层的基频相差较大时,考虑土-结构相互作用时,地基土的绝对位移变大,上部结构的侧向位移变大,而层间位移、层间位移角和结构内力变小;对于考虑土-结构相互作用的结构体系,对于相同幅值的近、中、远场地震动输入,三个算例的远场地震动作用下的结构反应明显大于近场和中场地震动作用下的结构反应,由此证明远场地震动的长周期成分更容易对体系造成更大的结构反应。 由于三维土-结构相互作用体系模型的自由度和单元数非常庞大,对计算机的性能有较高的要求,本文仅对第二个结构进行三维建模,地基取较薄的土层,对三维土-结构相互作用体系模型进行计算尝试。并与二维分析模型的结果进行了定性的比较,取得了相一致的结论。本文的分析结果和结论为认识土-结构相互作用对深厚土层上高层建筑地震反应的影响和抗震设计方法提供了理论参考。


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