地基—基础—高层建筑结构在不同地震动输入下的地震反应分析

论文摘要

在各类自然灾害中,地震给建筑物带来的损害是巨大的。抗震设计是各类工程结构设计过程中的关键环节之一。现代抗震设计理论包含四部分内容：地震动输入、结构模型化、结构反应分析及抗震设计原则。近年来,结构抗震设计理论得到了快速发展,但对于地震动输入的研究仍然落后于其它三部分的研究,存在着精确的结构分析方法与粗略的设计地震动输入之间的矛盾,这种落后状况从整体上制约了工程抗震安全性评价的可靠性和精度。如何采用合理地震动输入方式对结构进行地震反应分析,并且便于工程实践应用是摆在广大学者和工程技术人员面前的难题。通常情况下,建筑结构抗震设计中的地震反应分析大多基于刚性地基假定,计算模型仅考虑上部结构,地震动输入采用自由场的地表地震动。对于上部重量不大、几何尺寸较小建造在坚硬地基上的建筑物,这种刚性地基假定是合理的；如果结构置于一般地基特别是软土地基上时,这种输入方式就忽略了土-结构的动力相互作用,与上述理想化模型存在三个方面不一致：首先,上部建筑物的存在造成了结构界面对波的散射,基础接收到的地震动的大小和空间分布不同于自由场情况；其次,由于土层相对柔性,使结构体系的自振频率降低,自振周期延长,在土层较厚时,基频远低于基岩入射波频率,结构的动力响应会有所不同；再次,由于地基的无限性,结构振动的部分能量会以外行辐射波的形式向无限地基逸散,形成辐射阻尼,同时部分能量通过土的材料阻尼消耗。综上所述,土-结构动力相互作用具有三个明显的效应：一是改变结构的动力特性,二是增大了系统的等效阻尼,三是对基岩的输入波放大效应。由于土-结构动力相互作用显著的改变结构动力响应和动力特性,所以在进行高层建筑地震反应分析时,土-结构的动力相互作用的效应不可忽视。本文对考虑土-结构动力相互作用的地震动输入问题的研究背景、分析方法、研究意义进行归纳和总结,以实际工程项目——陕西省信息大厦为背景,建立刚性地基模型以及考虑土-结构动力相互作用基于刚性基底和柔性基底的自由场输入有限元模型。针对不同的地震动输入方式,利用大型通用有限元软件ANSYS对结构体系进行地震反应分析,得到不同地震动输入下结构的响应,分析由于地震动输入方式的差异对结果造成的影响,本文的主要内容如下：（1）对近些年来土-结构动力相互作用问题的研究成果进行系统总结,对地震动输入方式、人工虚拟边界、土体非线性、地震动参数的选取、地震反应分析方法、自由场分析等一系列问题进行归纳和整理。（2）针对本文工程实例——陕西省信息大厦,以大型通用软件ANSYS为平台,建立刚性地基情况下的有限元模型以及考虑地基-基础-高层建筑结构相互作用的有限元模型,应用ANSYS参数化设计语言（APDL）建立集中粘弹性人工边界,并总结粘弹性人工边界在大型通用软件中的实现方法。（3）对信息大厦所在土层进行自由场地震反应分析,基于一维重复反射波动理论,建立一维水平成层地基波动模型,应用SHAKE91程序频域内求解成层地基的自由场的暂态地震响应,得到各层加速度时程,应力时程等,为后续的自由场输入方式的研究提供依据。（4）针对信息大厦的刚性地基模型和考虑刚性基底的地基-基础-上部结构动力相互作用有限元模型,依据现行抗震规范要求选取两条强震记录的地震波,输入一个水平向的加速度地震动时程,进行地震反应分析,分析不同输入方式下结构体系的位移、加速度、反应谱等。通过对比,体现地震动输入方式不同对结果的影响。（5）对考虑柔性基底的地基-基础-上部结构动力相互作用有限元模型进行时程分析。把自由场地地震反应得到的各土层层顶的速度时程、位移时程和应力时程进行组装,得到等效节点力时程,施加到人工边界节点上,求解结构体系的动力反应,与考虑刚性基底情况下的结果进行比较,分析地震动输入方式的改变对结果的影响,得出有意义的结论。（6）据不同土层加速度时程积分可以得到相对应的速度时程和位移时程。针对由于积分累计造成的位移基线漂移的不合理现象,应用“10s单摆速度评价法”原理,编制FORTRAN程序,计算出较合理的速度时程和位移时程,并总结对地震波的处理方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 土-结构动力相互作用研究背景及意义
• 1.2 土-结构动力相互作用理论
• 1.2.1 土-结构动力相互作用的概念
• 1.2.2 土-结构动力相互作用研究的发展
• 1.3 土-结构动力相互作用分析方法
• 1.4 人工边界
• 1.5 地震动输入
• 1.6 土-结构动力相互作用试验研究
• 1.6.1 现场试验和地震观测
• 1.6.2 离心机模型试验
• 1.6.3 振动台模型试验
• 1.7 本文研究目的及内容
• 1.7.1 本文研究目的
• 1.7.2 本文研究内容
• 2 土-结构体系动力相互作用分析方法的基本理论
• 2.1 动力方程的建立及求解
• 2.1.1 质量矩阵
• 2.1.2 阻尼矩阵
• 2.1.3 Newmark-β法
• 2.1.4 Wilson-θ法
• 2.1.5 ANSYS瞬态动力分析模块
• 2.2 粘弹性人工边界
• 2.2.1 集中粘弹性人工边界
• 2.2.2 一致粘弹性人工边界及粘弹性边界单元
• 2.3 地震动输入模型
• 2.4 自由场反应分析
• 2.4.1 自由场分析概论
• 2.4.2 一维线性土体响应的分析
• 2.4.3 非线性土层的暂态地震反应——等效线性化法
• 2.4.4 集中质量法
• 2.4.5 特征线法
• 2.5 本章小结
• 3 地基-基础-上部结构动力相互作用有限元模型的建立
• 3.1 工程背景
• 3.2 上部结构的模型
• 3.2.1 截面尺寸
• 3.2.2 材料参数
• 3.2.3 单元信息
• 3.3 地基-基础模型
• 3.3.1 地基土层力学参数
• 3.3.2 桩土等效复合体
• 3.3.3 地基-基础的有限元模型
• 3.4 人工边界
• 3.4.1 概述
• 3.4.2 基底固定的粘弹性人工边界
• 3.5 本章小结
• 4 自由场地震反应分析
• 4.1 SHAKE91程序
• 4.1.1 SHAKE91程序简介
• 4.1.2 SHAKE91程序输入文件
• 4.2 SHAKE91程序计算结果
• 4.2.1 各层加速度时程
• 4.2.2 各层应力应变时程
• 4.3 自由场地震动输入反演分析
• 4.4 本章小结
• 5 位移时程曲线基线漂移的处理
• 5.1 应用10s单摆速度评价法
• 5.1.1 原理
• 5.1.2 算例
• 5.2 TRIFUNAC方法
• 5.3 加速度时程时域校正
• 5.4 本章小结
• 6 刚性基底的地基-基础-上部结构动力相互作用地震反应分析
• 6.1 结构体系的动力特性分析
• 6.1.1 模态分析概述
• 6.1.2 结构动力特性的求解
• 6.1.3 利用ANSYS软件求解结构动力特性
• 6.1.4 模态分析小结
• 6.2 时程分析
• 6.2.1 时程分析概述
• 6.2.2 地震波的选取
• 6.2.3 刚性基底的粘弹性人工边界模型
• 6.2.4 上部结构各层位移时程
• 6.2.5 上部结构各层层间位移时程
• 6.2.6 上部结构各层绝对加速度时程
• 6.2.7 上部结构各层反应谱分析
• 6.3 本章小结
• 7 柔性基底的地基-基础-上部结构动力相互作用地震反应分析
• 7.1 基于粘弹性边界的自由场输入模型
• 7.2 时程分析
• 7.2.1 地震动输入
• 7.2.2 上部结构各层位移时程
• 7.2.3 上部结构各层层间位移时程
• 7.2.4 上部结构各层绝对加速度时程
• 7.2.5 上部结构各层反应谱分析
• 7.3 本章小结
• 8 结论与展望
• 8.1 本文的主要结论
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录