考虑SSI效应的山地掉层框架-摇摆墙结构抗震性能研究

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掉层框架结构的上、下两侧的接地方式不等高,因此与普通框架结构相比掉层框架结构的受力性能有显著差异,山地掉层框架结构的突出问题是竖向刚度不均匀和楼层承载力突变以及上接地层变形集中,加入摇摆墙可以有效地控制山地掉层框架结构的整体变形能力。山地掉层框架-摇摆墙结构体系与结构的动力反应特性密切相关,研究表明SSI效应明显地改变了结构的动力特性。因此,SSI效应必然对山地掉层框架-摇摆墙结构体系的抗震性能有重要的影响。只有掌握此影响规律,并在实际工程中加以考虑,才有可能达到预期的抗震效果。论文系统研究了SSI效应对山地掉层框架-摇摆墙结构抗震性能的影响,探讨了不同土质条件、摇摆墙设置位置、摇摆墙刚度比、掉层层数与掉层跨数及结构耗能能力等因素对结构地震响应的影响规律。通过对重庆大学实验室完成的山地掉层框架结构的拟静力实验进行模拟,以验证SAP2000进行弹塑性分析时所用模型的可行性。基于SAP2000建立一系列7度(0.15g)区的山地掉层框架、对应的考虑SSI效应和附加摇摆墙的结构模型,探究不同条件下考虑SSI效应对山地掉层框架-摇摆墙结构的抗震性能影响规律。主要结论如下:(1)对比分析了山地掉层框架结构在中软土、中硬土条件下,考虑SSI效应和不考虑SSI效应以及附加摇摆墙前后的抗震性能。可以看出SSI效应会延长结构的自振周期,土质越柔,延长程度越大,附加摇摆墙后,对结构自振周期影响较小。SSI效应作用会增大结构的最大层位移、最大层间位移角、最大层剪力以及改变梁柱耗能关系。在不考虑SSI效应时,中软土正演地震波对结构的动力响应远大于中硬土正演地震波的影响。考虑SSI效应时,结构在中软土条件下的动力响应大于中硬土条件。附加摇摆墙后,考虑SSI效应时框架-摇摆墙结构薄弱层的最大层位移、最大层间位移角、最大层剪力以及耗能能力减小,但减小幅度无法抵消SSI效应作用。(2)针对摇摆墙设置位置对结构的抗震性能的影响进行了探讨。在考虑SSI效应时,附加摇摆墙使结构上接地层受到的SSI效应作用增大,不同摇摆墙设置位置所受SSI效应程度各不相同。摇摆墙设置在上接地侧时,在掉层框架结构上接地侧变形得到明显改善,在考虑SSI效应时结构上接地层变形减小,顶部变形增大,结构变形为理想的摇摆型,上接地侧受SSI效应作用较其他设置位置的小;摇摆墙设置在下接地侧时,上接地侧与下接地侧最大层位移与最大层间位移角曲线呈均匀倾斜直线,但上接地层的最大层位移以及最大层间位移角受SSI效应放大作用较其他设置位置的大,因此会加剧掉层框架结构的集中破坏现象,下接地侧受SSI效应作用较其他设置位置的小;摇摆墙设置在上、下接地侧时,对上接地侧和下接地侧的变形控制效果小于对应单侧布置摇摆墙的情况;受SSI效应的作用效果介于上接地侧设置摇摆墙情况与下接地侧设置摇摆墙情况之间。(3)由于考虑SSI效应时结构刚度会发生改变,因此摇摆墙与结构的刚度比也会对框架-摇摆墙体系所受的SSI效应产生影响。摇摆墙对掉层框架结构的薄弱层即上接地层及上接地层的上一层控制效果随着刚度比增大而增大,即薄弱层层剪力随刚度比增大而减小;而掉层框架-摇摆墙结构顶部两层所受层剪力随刚度比增大而增加,这样使得整体层剪力更加均匀,说明摇摆墙在考虑SSI效应时仍然能将原本集中在薄弱层的层剪力均匀分散至上部各层,且摇摆墙刚度比越大,控制效果仍越明显。在不考虑SSI效应时,框架-摇摆墙结构在摇摆墙刚度比为10.06%时已具有稳定的变形模式,刚度比增大结构变形曲线形状改变较小。在考虑SSI效应时,随摇摆墙刚度比增大,结构受SSI效应作用相应增大,当摇摆墙刚度比为14.56%时,框架-摇摆墙结构在中软土条件下开始有稳定变形模式;摇摆墙刚度比为20.17%时,框架-摇摆墙结构在中硬土条件下开始有稳定变形模式。因此框架-摇摆墙刚度比设计需考虑实际土质条件。(4)掉层层数与掉层跨数对框架-摇摆墙结构的质量和刚度的影响程度不同,通过对结构模态周期和抗震性能指标进行分析后可以看出,掉层跨数的改变对考虑SSI效应的框架-摇摆墙结构影响较小,而掉层层数改变的同时也改变了土坎高度,随着掉层层数的增加,结构所受SSI效应的影响也越大。(5)相比刚性地基的情况,考虑SSI效应时掉层框架结构的梁滞回耗能占比减小,柱滞回耗能占比增大,梁柱耗能比减小;附加摇摆墙后,掉层框架结构的梁滞回耗能占比增大,柱滞回耗能占比减小,梁与柱整体的滞回耗能更加均匀,随着摇摆墙刚度比的增加,梁柱耗能比逐渐增大,有利于实现“强柱弱梁”的设计理念。
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