考虑土—结构相互作用高层框架结构平面非线性抗震分析

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考虑土—结构相互作用高层建筑结构非线性抗震分析是一个复杂的研究课题。近二十年来,国内外许多学者都对其进行过研究,并提出了多种分析方法,如:时域子结构法,时域整体有限元法等,但这些方法都存在分析理论复杂、计算工作量大的缺点,因此在实际工程中没有得到广泛应用,一般只限于理论研究中。静力弹塑性分析方法(Push-Over Analysis Method)是一种结构非线性抗震分析简化方法,其大致步骤是对结构施加某种模拟地震水平惯性力作用的侧向力,并逐渐单调增加侧向力,将结构推至某一目标位移,然后停止增加侧向力,进而对结构进行抗震性能评估。本文应用静力弹塑性分析方法对天然地基上带刚性整体基础(箱型基础、筏板基础以及带一层或半层地下室的筏基)的高层框架结构进行了平面非线性抗震分析研究。为了比较和验证考虑土—结构相互作用高层建筑结构非线性地震反应平面静力弹塑性分析的可行性和有效性,本文还对天然地基上带刚性整体基础(箱型基础、筏板基础以及带一层或半层地下室的筏基)的高层框架结构,进行了考虑土—结构相互作用平面非线性地震反应时程分析研究。 在考虑土—结构相互作用平面非线性地震反应时程分析中,本文根据子结构原理建立了地基—基础—上部结构系统的力学分析模型及其运动方程,上部结构采用杆系—层间模型模拟,基础简化为刚性矩形质块,地基动力阻抗在物理上用弹簧和阻尼器模拟,并施加在基础相应部位,弹簧和阻尼器参数采用一组能考虑频率相关性、基础形状以及埋置深度等因素的近似公式计算,其中频率相关性只考虑相互作用体系的基本频率。结合天然地基上带刚性整体基础高层钢筋混凝土框架结构,编制了相关分析程序,并应用该程序,对两个算例结构分别输入两条不同地震波记录进行了考虑和不考虑土—结构相互作用平面非线性地震反应时程分析,分析结果表明,考虑土—结构相互作用后,高层框架结构的层间位移和层间剪力与刚性地基情况下相比并不总是减少,有时是增大的。因此基于刚性地基假设的非线性抗震验算并不总是偏于安全。 在考虑土—结构相互作用平面静力弹塑性分析中,运用子结构原理,建立了地基—基础—上部结构系统的力学分析模型及非线性静力增量平衡方程,上部结构和基础的模拟与时程分析相同,地基对基础的反力用水平弹簧和转动弹簧表示,弹簧系数按静刚度计算。重点对地基—基础—上部结构系统静力弹塑性分析中的具体实施步骤、目标位移确定、侧向加载模式选用等几个关键问题进行了研究。最后也针对天然地基上带刚性整体基础高层钢筋混凝土框架结构编制了相关分析程序,并应用该程序,对两个算例结构采用三种不同侧向力分布模式(均匀分布,曲线分布和倒三角形分布)分别进行考虑土—结构相互作用平面静力弹塑性分析,并将分析结果与时程分析结果进行比较。算例分析表明,应用静力弹塑性分析方法对考虑土—结构相互作用高层建筑结构进行非线性抗震考虑土一结构相互作用高层框架结构平面非线性抗震分析分析是可行的,三种加载方式中,曲线加载方式与时程分析结果吻合最好。
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