掉层结构的非线性抗震性能分析

论文摘要

掉层结构是指同一结构单元的底部位于不同标高的场地基面上,并且最高接地点以下按层高设置楼面的结构。掉层结构的不等高接地方式,使得掉层特征（如掉层高度、掉层跨数等）、土-结相互作用对结构的抗震性能的影响不容忽视。在罕遇地震作用下,结构将进入塑性状态,在罕遇地震作用下掉层结构的非线性性能分析是进行其破坏模式研究的基础。本文利用大型非线性有限元软件ABAQUS,总结了建模相关理论及分析参数的取值方法,建立了较为精确的掉层结构非线性有限元模型;给出了土-结构相互作用模型中常用土体人工边界的设置方法,利用FORTRAN语言编写了适用于粘弹性边界、粘性边界及无限元边界的外源波动输入子程序,在此基础上建立了较为精确的桩-土-掉层结构非线性有限元整体模型。以掉层结构为研究对象,对地基为基岩和地基为土层的掉层结构进行罕遇地震作用下的抗震性能的分析;研究了当地基为基岩时,掉层跨数和掉层层数不同的掉层结构的地震响应特征;研究了当地基为土层时,采用基于刚性地基假定的掉层结构分析模型的适用性。研究得到的主要结论如下:①当地基为基岩时,掉层结构的掉层部分相比上部结构的破坏较轻。②掉层数越多,掉层跨数越多,坎上接地柱柱底和与接地柱相连的梁端就越容易破坏。建议通过调整坎上一层的层内各竖向构件的刚度比,或者采用滑动支座的形式,解决坎上柱子强度和刚度不匹配的问题。③由于陡坎的存在,掉层结构的薄弱层位置一般位于坎上一、二层。④当地基为软土时,掉层结构采用刚性地基假定分析模型将会低估掉层部分的受力和变形,建议在地基为软土层的情况时,适当加强掉层部分的设计。⑤当采用刚性地基假定模型分析地基为软土层的掉层结构在地震作用下的反应时,建议考虑结构底部坎上部分和坎下部分地震动输入的差别。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 工程背景及研究意义
• 1.2 山地建筑结构研究现状
• 1.3 现有的弹塑性分析方法
• 1.3.1 静力弹塑性分析方法
• 1.3.2 动力弹塑性时程分析
• 1.4 土-结构动力相互作用问题的研究方法
• 1.4.1 理论分析方法
• 1.4.2 试验研究方法
• 1.5 研究目的与内容
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 研究内容
• 2 掉层结构的非线性分析模型
• 2.1 引言
• 2.2 三维问题等效为二维问题——线性缩放材料属性法
• 2.3 单元模型和材料
• 2.3.1 基于材料的恢复力模型——纤维模型
• 2.3.2 混凝土和钢筋材料参数及材料模型
• 2.3.3 土体的本构模型
• 2.4 人工边界条件
• 2.4.1 常用人工边界的原理
• 2.4.2 常用人工边界在ABAQUS 软件中的实现
• 2.4.3 人工边界的波动输入
• 2.4.4 验证边界设置以及波动输入的正确性
• 2.4.5 各种边界的适用性分析
• 2.5 桩-土之间接触的设置
• 2.6 阻尼的设置
• 2.7 单元网格划分
• 2.8 地震动输入
• 2.9 有限元分析步骤
• 2.10 小结
• 3 地基为基岩情况下的掉层结构的非线性抗震性能分析
• 3.1 引言
• 3.2 分析模型及相应的参数
• 3.2.1 简化计算模型
• 3.2.2 算例设计
• 3.2.3 地震波的选取
• 3.3 模态分析
• 3.4 动力计算结果分析
• 3.4.1 层间位移分布规律
• 3.4.2 位移分布规律
• 3.4.3 基底剪力的分布规律
• 3.4.4 上接地层柱剪力分布规律
• 3.4.5 结构的屈服机制及薄弱部位研究
• 3.5 小结
• 4 地基为土层情况下的掉层结构的非线性抗震性能分析
• 4.1 引言
• 4.2 算例设计
• 4.2.1 简化计算模型
• 4.2.2 算例设计
• 4.2.3 地震动输入与输出
• 4.3 模态分析
• 4.4 动力计算结果分析
• 4.4.1 层间位移分布规律
• 4.4.2 位移分布规律
• 4.4.3 结构的屈服机制及薄弱部位研究
• 4.5 小结
• 5 结论与展望
• 5.1 主要工作和结论
• 5.2 相关展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录