某高层框架-剪力墙基础隔震结构地震响应分析

以某高层框架-剪力墙基础隔震建筑结构为研究对象,采用考虑隔震装置竖向拉、压刚度变化的弹塑性本构关系,以及上部混凝土框架-剪力墙结构采用弹性本构关系,建立非线性有限元分析模型,对模型结构进行动力时程分析,研究高层框架-剪力墙基础隔震结构的地震响应。分析结果表明:在设计地震作用下该隔震支座的非线性滞回特性符合支座设计基本要求,采用基础隔震技术后该高层结构的前几阶周期均有所延长,上部结构的加速度和层间位移角响应明显减少,隔震层能耗散部分的地震动输入能量,隔震技术能够有效降低高层框架-剪力墙结构的地震响应。     

隔震层竖向刚度对高层基础隔震结构的影响

高层隔震建筑的隔震层在罕遇地震作用下会产生拉应力。本文通过对一栋20层的高层隔震结构,分别采用等拉压刚度模型和不等拉压刚度模型进行动力非线性时程分析,研究叠层橡胶隔震支座竖向刚度模型对高层基础隔震结构动力响应的影响。研究表明,超出线弹性工作范围后,竖向等拉压刚度模型将会低估隔震层的竖向位移量,低估上部结构的动力响应。     

考虑土-结构动力相互作用的TMD结构减震控制

本文分析了TMD(Tuned mass damper)在刚性地基和柔性地基情况下的减震控制机理,以某6层钢筋混凝土框架结构为研究对象,分别考虑了土-结构动力相互作用对无TMD控制结构的影响,场地条件对TMD减震控制性能的影响和土-结构动力相互作用对TMD减震控制性能的影响。通过分析得出TMD控制系统的减震效果除了与输入地震动特性有关外,还与场地条件、上部结构和基础的动力特性等因素有关。如果土-结构动力相互作用体系的自振周期远离输入地震动的卓越周期,则相互作用体系的地震响应较小。地基土越软,框架建筑结构层间相对位移地震响应也就越小。如果考虑土-结构动力相互作用效应的影响设计TMD调频系统的自振周期,则TMD的控制效果会有一定程度的提高。     

土—结构相互作用对煤矿采动损伤建筑的抗震性能影响分析

为了探讨土—结构相互作用对煤矿采动损伤建筑地震动力破坏的影响,基于损伤力学和能量耗散理论,研究采动区土—基础—上部结构的协同作用,通过建立考虑土—结构相互作用的煤矿采动损伤建筑的动力学方程,重点分析了煤矿采动损害影响下的建筑物地震动力灾变演化过程。计算结果表明:土—结构的相互作用对煤矿采动建筑的地震动力响应影响较大,不考虑土—结构相互作用是偏于安全的;煤矿采动作用明显改变了建筑物的结构动力特性,建筑结构的薄弱层位置改变明显、塑性铰和层损伤分布规律发生改变,严重降低了建筑物的抗震性能,对于煤矿采动区建筑应当开展安全损伤评估工作,以保证矿区工程建设的安全性和可靠性。     

框剪结构土-结构相互作用地震反应分析

本文在全面考虑上部结构、基础及下部土体实际情况和受力特性的基础上,开发了一种平面框剪土-结构相互作用的简化分析模型。在这个模型中,利用矩阵位移法的概念,同时考虑框架和剪力墙(筒体)的协同工作原理,将上部结构简化成平面的框架-剪力墙(筒体)结构,这一模型可以很好地模拟常用高层建筑体系的弯曲特性和弯剪特性。地基土采用一块在计算平面内高度为H,宽度为B,而在出平面方向厚度为t的土体作为分析模型,并对MSC.Marc进行了二次开发,将多层土E-B本构关系模型作为子程序嵌入其中,使用E-B本构关系模型来考虑它的非线性特性,利用粘-弹性人工边界作为地基土的边界条件。用接触迭代算法考虑了桩、箱-土之间的相互作用。最后,采用本文的方法对某高层框剪建筑进行了分析,并与不考虑土-结构相互作用的地震反应分析结果进行了对比。通过算例,本文初步探讨了在土-结构相互作用模型中,考虑和不考虑桩-土间相互作用对结构地震反应的影响,并得到了一些结论,证明了本文方法的适用性。     

地震作用下承台桩-土动力相互作用数值模拟分析

基于已开展的非液化场地-群桩基础-结构体系动力响应大型振动台模型试验,进行三维全时程动力数值模拟分析。采用修正的Davidenkov模型反映土体在地震反应过程中的模量衰减,通过“捆绑边界”模拟模型箱的层状剪切运动。通过对比试验中土-结构体系加速度响应时程、土体位移和桩基内力等,验证数值模型的有效性。利用已验证的数值模型,开展承台尺寸对桩-土-上部结构动力响应影响研究。结果表明,承台厚度的增大会导致上部结构和桩顶惯性效应减小;地震作用下沿激振方向前桩大于后桩,随着承台厚度的增大,前桩与后桩峰值弯矩差值率为16.1%～32.1%,群桩效应影响增大;随着承台厚度的增大,承台-土动土压力增大了3～6倍,承台与桩基水平荷载分担比增大,桩基弯矩反弯点位置上移了0.50 m;承台-土的相互摩擦作用会降低结构整体动力响应。     

桩-土相互作用弹簧对倾斜液化场地-群桩-上部结构体系的影响

桩-土-上部结构体系的动力相互作用是一个复杂的过程,尤其是在倾斜液化侧向扩展流动（侧扩流）场地中,由于地震过程中场地产生地面永久大变形,桩土间有可能产生错动滑移与开裂等非线性反应,因此桩-土相互作用模拟至关重要。为了探究桩-土非线性接触对倾斜液化场地-群桩基础-上部结构体系动力响应的影响,本文基于OpenSees分别建立了考虑桩-土相互作用弹簧和桩土结点之间直接绑定的有限元数值模型。结果表明：考虑桩-土相互作用Pyliq弹簧时,土体加速度幅值略微降低,桩基对土体的约束明显变弱,土体残余位移增大。同时,具有Pyliq弹簧的模型能较好地模拟桩的曲率响应,而采用桩土结点直接绑定的模型高估了桩顶曲率,进而无法准确估计桩基抗弯最不利位置。桩-土相互作用弹簧对上部结构动力响应的影响较小。     

基于土与高层建筑群相互作用振动台试验的土体动力非线性模拟

在动力荷载作用下,土与建筑群的动力相互作用中,土体表现出明显的动力非线性。同时振动台实测值与计算值对比分析中,土体的模拟至关重要。本文基于土与高层建筑群动力相互作用的振动台试验实测数据,应用Davidenkov地基模型实现土体动力非线性模拟。首先由土体的实测材料值拟合出Davidenkov地基模型内的相应参数值,然后用ANSYS编制计算程序,建立土与高层建筑群动力相互作用振动台试验的有限元模型,最后将计算值与试验值进行对比分析,验证Davidenkov地基模型用于此振动台试验的准确性。     

考虑结构-土-结构相互作用的区域建筑群震害评估

建筑群震害评估计算对城市区域地震损失评估和震后快速援助救灾有着重要意义。考虑到地震中建筑物相互作用对震害的影响,进行考虑结构间相互作用的区域建筑群震害评估计算。在已有的基于结构—土—结构动力相互作用(SSSI)分析的简化离散模型基础上,扣除基础转动对输出响应的影响,引入基础上部建筑结构非线性多自由度模型,得到考虑SSSI的简化的非线性多自由度离散模型,建立考虑SSSI的区域建筑群震害评估方法。以四川大学望江校区的建筑群在汶川地震中的震害评估为例,采用该方法对该校区建筑群在汶川地震中的震害进行评估计算。同时,也对未考虑SSSI情况下的该校区建筑群震害进行计算。运用HAZUS对建筑群在汶川地震中的震害进行计算。通过对比分析实际震害调查数据、HAZUS震害计算结果和本文建筑群震害计算结果可知,相比HAZUS震害计算结果,本文建筑群震害计算结果更接近实际震害调查数据;与未考虑SSSI的建筑群震害计算结果相比,考虑SSSI的建筑群震害计算结果精确度更高,更能反映建筑群的实际震害情况。     

近断层脉冲型地震动作用下高层摩擦摆基础隔震结构的减震性能研究

近断层地震动中长周期、短持时和高能量的加速度脉冲将对高层摩擦摆基础隔震结构的减震性能产生不利影响,考虑土-结构相互作用（SSI效应）后的隔震结构将产生动力耦合效应,可能进一步放大隔震结构地震响应。为此,通过一幢框架-核心筒高层摩擦摆基础隔震结构的非线性地震响应分析,考察近断层脉冲型地震动作用下框架-核心筒摩擦摆基础隔震结构的层间位移角、楼层加速度和隔震层变形等响应规律,揭示隔震体系的损伤机理。基于集总参数SR （sway-rocking）模型,分析不同场地类别与不同地震动类型对隔震体系动力响应影响规律。结果表明:高层摩擦摆基础隔震结构在近断层脉冲型地震动作用下的减震效果相比普通地震动减震效果变差,楼层剪力、层间位移角和隔震层变形等超越普通地震动作用下的1.5倍;对于Ⅲ和Ⅳ类场地类别,考虑SSI效应使隔震结构的地震响应进一步放大,弹塑性层间位移角随着土质变软增大尤为明显。     

考虑SSI效应的层间隔震结构自振特性及随机响应分析

基于水平摇摆阻尼系统模型,建立土-层间隔震结构简化分析模型,将地基土等效到上部结构,推导得到简化模型动力特性参数表达式,并通过对结构周期比及振型参与位移进行分析,讨论质量比及土体剪切波速对层间隔震结构自振特性的影响规律。利用虚拟激励法及均匀调制非平稳随机响应分析方法,分别从时域和频域角度分析不同场地条件下SSI效应对层间隔震结构的振动响应影响。结果表明：在刚性地基下,结构质量比对结构周期比及振型参与位移的影响较小,SSI效应放大了各子结构响应,尤其对下部子结构响应影响最大,各子结构在场地土差异下变化明显,软土场地下各子结构响应变大。     

层状土介质中群桩及其上部结构体系对任意入射地震波的响应

本文舍弃桩基动力分析中的土介平面应变假定，采用薄层内位移纡性变化条件下的动力Ｇｒｅｅｎ函数形成桩－土－桩相互作用所需的土介质柔度矩阵，用梁单元模拟桩的运动，用振型分解方法来考虑上部结构与桩基承台间的动力相互作用，以任意地震波入射为初始运动输入，建立了层状土介质中群桩及其上部结构体系对放射地震波响应的半解析分析模型，研究了桩基及其上部结构体系对不同角度入射、ＳＨ、ＳＶ和Ｐ波的动力响应，结果表明，本文     

基础柔性对土-结构相互作用系统响应影响的一个解析解

采用波函数展开法,通过SH波入射均匀半空间中二维埋置半圆形刚柔复合基础-单质点模型,推导土-刚柔复合基础-上部结构动力相互作用的解析解,并验证解的正确性。研究表明:基础柔性对于系统响应峰值与系统频率有较大影响。考虑基础柔性后,上部结构相对响应峰值相比全刚性基础结果均有一定减小,且系统频率也会产生向低频偏移的现象。     

基于土-结构体系对建筑结构响应的减震效果评估

提出一种基于土-结构体系地震记录的土-结构相互作用(SSI)的减震评估方法。该方法采用简化的SSI模型,通过系统辨识确定模型参数。将上部建筑结构地震反应的SSI减震效应分解为惯性相互作用和运动相互作用,同时还提出由惯性相互作用和运动相互作用单独降低结构响应的方法。将2011年东北地震太平洋沿岸期间两栋中层建筑用此方法进行分析,结果表明:当建筑物结构响应进入非弹性范围时,惯性相互作用的减震效果降低。     

考虑土-结构相互作用的风力发电机塔架地震响应分析

利用有限单元法建立用弹簧阻尼单元近似模拟土-结构相互作用的风力发电机塔架结构模型.采用更新的拉格朗日增量有限元格式,逐步积分的Newmark法求解,通过算例分析了多维地震荷载作用下风力机塔架结构的时程响应规律,研究了P-Δ效应、竖向地震作用和土-结构相互作用的影响.分析得出:土-结构相互作用对风力发电机塔架结构的地震动力响应的影响不容忽视,在材料线弹性范围内竖向地震荷载和P-Δ效应对结构的动力特性影响较小.     

液化侧扩流场地桥梁群桩效应分析

基于u-p有限元公式模拟饱和砂土中水和土颗粒完全耦合效应,建立液化侧向流场地群桩动力反应分析的三维数值模型。模型中,砂土采用多屈服面弹塑性本构模型模拟、黏土采用多屈服面运动塑性模型模拟,群桩在计算过程中保持线弹性状态;采用20节点的六面体单元和考虑孔压效应的20-8节点分别划分黏土层和饱和砂层;选用剪切梁边界处理计算域的人工边界,模拟地震过程中土层的剪切效应;应用瑞利阻尼考虑体系的阻尼效应。随后对比分析2×2群桩中各单桩的地震反应规律,结果表明,各单桩的弯矩、位移时程规律基本一致,峰值弯矩及峰值位移出现时刻滞后于输入加速度峰值时刻,上坡向桩的弯矩和位移峰值大于下坡向的桩的反应值。接着通过改变桩间距研究群桩效应,随着桩间距增加,群桩中各单桩的弯矩最大值均出现在土层分界处,且各单桩的弯矩、桩顶位移逐渐增大。最后给出液化侧向流场地群桩效应的基本原因,得出该类场地群桩抗震设计的基本认识。     

考虑土-结构相互作用的高层建筑抗震分析

本文采用通用有限元程序ANSYS,针对上海地区一例土-箱基-高层建筑结构进行了三维有限元分析,计算中土体的本构模型采用等效线性模型,利用粘一弹性人工边界作为土体的侧向边界,并研究了土体边界位置、土性、基础埋深、基础形式以及上部结构刚度等参数对动力相互作用体系动力特性及地震反应的影响。     

桩-土-结构相互作用对结构弹塑性变形特性的影响

在桩-土-结构弹塑性动力相互作用模型研究的基础上,设计了考虑场地类别、输入地震动等因素的基于相互作用模型的多层和高层钢筋混凝土框架结构算例,分析了桩-土-结构相互作用对结构弹塑性变形特性的影响,并与不考虑相互作用的结构底部固端模型的计算结果进行了对比。分析表明:相互作用对结构的弹塑性变形的影响不容忽视,考虑相互作用后梁柱塑性铰出现的程度降低;结构底部位移增加而顶部位移减小;薄弱层的层间位移可能增加而其余层的层间位移则减小。现行的结构弹塑性变形验算方法未考虑土-结构相互作用的做法的合理性值得进一步评判。     

基于Simulink的桩-土-结构相互作用反应谱分析

在Simulink环境下对桩-土-结构相互作用系统进行了仿真计算分析,并利用反应谱理论研究了SSI效应对上部结构动力响应的影响.采用集中参数模型考虑桩-土对上部结构的影响,上部结构简化为单质点模型,给出了桩-土-结构系统的状态方程,根据模型状态方程在Simulink环境下建立系统的仿真模型,得到了不同场地条件下SSI效应对上部结构加速度谱与位移谱的影响规律.计算结果表明:位移谱基本保持着“刚性假定＜Ⅰ类场地＜Ⅱ类场地＜Ⅲ、Ⅳ类场地”的规律;加速度谱受场地影响的规律不太明显,但在场地较软、桩基刚度较大时,加速度比刚性假定下的要小,而在其他情况下,加速度则比刚性假定下的要大.     

接触对桩-土-结构动力相互作用体系的影响

为了考察桩-土接触效应对结构地震反应的影响,利用有限元软件ABAQUS建立了土-桩-框架二维有限元模型,分别采用损伤塑性模型和动力粘塑性记忆型嵌套面模型模拟混凝土和土体,利用rebar单元模拟混凝土内的钢筋,取得了较好的计算效果.计算分析中采用19条不同频谱的地震波记录,考虑了地震动强度、桩径、摩擦系数等因素,以层间位移角和桩顶最大位移为主要评价指标,揭示相互作用体系的动力响应特性.分析认为,计算结果对桩、土摩擦系数的取值不敏感;不考虑土-桩接触时,近场土体的动力反应与实际情况存在一定的误差,且上部结构和桩基的动力反应会被低估,应该考虑桩-土动力接触效应;地震动强度增加时,随着结构进入塑性状态,低估程度减小;桩径增加时,低估程度没有显著变化,虽然桩基和上部结构的反应都有所减小.