地震作用下相邻钢筋混凝土框架结构碰撞响应与减撞措施研究

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世界范围内的大量震害表明,相邻结构间地震碰撞是导致结构破坏的重要因素之一。既有相邻建筑结构间距不足的情况大量存在,地震碰撞隐患严重,但利用精细化有限元分析对其地震碰撞机理、响应规律和减撞措施的研究不足。因此本文以实际工程中广泛存在的总高相等和不等的相邻钢筋混凝土框架结构为研究对象,对其地震碰撞响应进行分析,通过确定性及概率方法研究碰撞力对相邻结构响应的影响规律,并据此提出有效实用的减撞措施。本文主要研究内容及结论如下:(1)基于ABAQUS对相邻钢筋混凝土框架结构地震碰撞进行三维精细化有限元模拟,建模方法包括采用梁柱板合并以模拟混凝土的现浇作用、钢筋骨架嵌入混凝土共同受力、创建接触对、定义主从面接触模拟碰撞、接触算法采用罚函数法、等效地震力法输入激励、隐式直接积分算法等。对两层相邻钢筋混凝土框架结构碰撞响应进行了有限元模拟,分析结果与振动台试验结果吻合较好,验证了建模方法的可行性。(2)利用所验证的有限元建模方法,分析了总高相等的两层相邻钢筋混凝土框架结构在三条地震波作用下由于地震碰撞对结构动力反应的影响规律。结果表明:相邻等高结构在强震作用下产生较大的碰撞力,导致结构的加速度、位移、碰撞应力、损伤均增大。(3)利用所验证有限元建模方法,分析了总高不相等的六层和四层相邻钢筋混凝土框架结构在三条地震波作用下由于地震碰撞对结构动力反应的影响规律,并开展了影响参数分析,包括地震波加载方向、结构间距、峰值加速度、周期比等参数。结果表明:地震波沿着结构碰撞方向正向或者反向加载,由于相对位移时程发生变化,导致相邻结构的碰撞响应发生显著差异;随着结构间距的增大,碰撞力和碰撞次数呈下降趋势;随着地震波峰值加速度的增大,碰撞造成的结构响应也逐渐增大;六层和三层、六层和四层、六层和五层相邻结构,周期逐渐接近,结构的反应先增大后减小,六层和四层的相邻结构响应最大。(4)利用动力增量分析法,分别采用结构最大层间位移角和楼层最大层间位移角作为损伤状态破坏指标,对考虑碰撞力影响的六层和四层相邻钢筋混凝土框架结构的Open Sees模型进行了地震易损性分析并分析了结构间距对易损性的影响。结果表明:地震碰撞增大了六层结构碰撞层(4层)及以上层的失效概率、减小了碰撞层以下层的失效概率,并增大了四层结构碰撞层的失效概率。相邻结构间距的增大会加剧六层结构碰撞层以下层的失效概率,减小其碰撞层及以上层的失效概率,四层结构各层的失效概率会因间距的增大而逐渐减小。(5)将相邻结构间填充橡胶作为减撞措施,利用所验证的有限元建模方法,分析了其用于六层和四层相邻钢筋混凝土框架结构在El Centro波作用下的减撞效果,并分析了其对结构地震易损性的影响。结果表明:橡胶作为吸振材料减撞效果良好;增大橡胶厚度可减小碰撞力、加速度、位移、层间位移角、拉压损伤,但会增加碰撞次数;增大橡胶硬度会引起结构碰撞力和加速度响应增大;由于填充橡胶引起的碰撞刚度减小导致结构地震易损性减小。
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