高層建筑土-結(jié)構(gòu)相互作用地震反應(yīng)分析研究

劉潔平

(中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所,哈爾濱 150080)

高層建筑土-結(jié)構(gòu)相互作用地震反應(yīng)分析研究

劉潔平

(中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所,哈爾濱 150080)

土-結(jié)構(gòu)相互作用是一個(gè)具有重大理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值的課題。在過(guò)去四十年的研究中,在理論和實(shí)踐方面已取得重大進(jìn)展,但仍存在許多有待進(jìn)一步研究的重要問(wèn)題,發(fā)展一種有效和實(shí)用的土-結(jié)構(gòu)相互作用分析方法以及了解土-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響就是其中的兩個(gè)問(wèn)題。本文在國(guó)內(nèi)外土-結(jié)構(gòu)相互作用研究發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,以鋼筋混凝土高層建筑為研究對(duì)象,進(jìn)行了高層建筑土-結(jié)構(gòu)相互作用地震反應(yīng)分析研究,為重要個(gè)體高層建筑和一般高層建筑的土-結(jié)構(gòu)相互作用地震反應(yīng)分析提供了多種實(shí)用的分析手段,為認(rèn)識(shí)土-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)高層建筑地震反應(yīng)的影響和抗震設(shè)計(jì)方法提供了依據(jù)。

本文將土與結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體,采用能很好模擬上部結(jié)構(gòu)和下部地基基礎(chǔ)受力特性的平面土-結(jié)構(gòu)相互作用模型,提出了一種實(shí)用的高層建筑土-結(jié)構(gòu)相互作用地震反應(yīng)整體分析方法。該方法的上部結(jié)構(gòu)采用平面框架-剪力墻(筒體)協(xié)同工作模型;地基土體以在計(jì)算平面內(nèi)高度為H、寬度為B、在出平面方向厚度為t的土體來(lái)模擬;土體在靜力分析時(shí)采用Duncan-Chang模型,動(dòng)力分析時(shí)采用等效線性化模型;基礎(chǔ)根據(jù)其形式及剛度,分別以梁?jiǎn)卧?、剛塊單元或受彎板單元來(lái)模擬。為了在一般單體機(jī)上實(shí)現(xiàn)所提出的方法,對(duì)有限元軟件MSC.Marc進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā),添加了多層土的靜力Duncan-Chang本構(gòu)關(guān)系模型和動(dòng)力等效線性化本構(gòu)關(guān)系模型,并通過(guò)兩個(gè)算例驗(yàn)證了其可靠性,使M SC.M arc軟件成為該方法的理想分析工具。此方法可用于重要單體高層建筑詳細(xì)的土-結(jié)構(gòu)相互作用分析。

選擇了不同高度、不同結(jié)構(gòu)類型和不同場(chǎng)地條件的位于厚和深厚地基土層上的10棟典型鋼筋混凝土高層建筑,采用所提出的整體分析方法,對(duì)比分析了基巖波、地面波和地震動(dòng)等效輸入波,以及考慮與不考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用體系的自振特性和地震反應(yīng),詳細(xì)研究了土-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)位于厚和深厚地基土層上高層建筑地震反應(yīng)的影響。通過(guò)對(duì)地震反應(yīng)影響的綜合分析,在地震動(dòng)輸入、自振特性、相互作用影響因數(shù)、體系地震反應(yīng)等方面得到了一些具有實(shí)用價(jià)值的結(jié)論和關(guān)系式,在此基礎(chǔ)上,給出了一種以結(jié)構(gòu)與土層第一周期系數(shù)αT為指標(biāo)的高層建筑土-結(jié)構(gòu)相互作用地震反應(yīng)分析簡(jiǎn)化評(píng)估方法。該方法無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜又費(fèi)時(shí)的高層建筑土-結(jié)構(gòu)相互作用分析,僅利用簡(jiǎn)單省時(shí)的結(jié)構(gòu)和土層反應(yīng)分析結(jié)果,就可估計(jì)出高層建筑土-結(jié)構(gòu)相互作用體系的反應(yīng),可用于高層建筑考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用地震反應(yīng)的初步估計(jì)。

以采用所提出的整體分析方法計(jì)算得到的10棟典型高層建筑的計(jì)算結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn),上部結(jié)構(gòu)仍采用整體分析方法給出的平面框架-剪力墻(筒體)協(xié)同工作模型,參考《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50040-96),給出了地基基礎(chǔ)的兩層簡(jiǎn)化模型,通過(guò)與10棟典型高層建筑標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果的對(duì)比,進(jìn)行了地基質(zhì)量、土體模型自由度、抗剪剛度和阻尼比的逐步改進(jìn)。將地基土體質(zhì)量由原模型的基礎(chǔ)以下基巖以上的土體質(zhì)量改為整體分析法給出的土體質(zhì)量;將地基土體由原模型的兩個(gè)自由度改為多個(gè)自由度,并給出了各層土體抗剪剛度的確定方法;建議土層的剪切模量G取0.5倍的Gm ax、阻尼比取15%,提出了修正的層層簡(jiǎn)化模型,給出了一種高層建筑土-結(jié)構(gòu)相互作用簡(jiǎn)化分析方法。通過(guò)該方法和整體分析方法的計(jì)算結(jié)果比較發(fā)現(xiàn),較原兩層簡(jiǎn)化模型的方法,土-結(jié)構(gòu)體系的自振特性和結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)加速度峰值有明顯改善,結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)加速度反應(yīng)譜更為合理,尤其是長(zhǎng)周期段峰值所對(duì)應(yīng)的周期均與整體分析方法結(jié)果更為接近。由此表明,該方法可作為一種合理實(shí)用的高層建筑土-結(jié)構(gòu)相互作用簡(jiǎn)化分析方法,用于一般高層建筑土-結(jié)構(gòu)相互作用的分析和重要高層建筑土-結(jié)構(gòu)相互作用的初步分析。另外,該方法給出的地基基礎(chǔ)簡(jiǎn)化分析模型,也可推廣應(yīng)用于其它類型建筑物、結(jié)構(gòu)工程的地基基礎(chǔ)和土-結(jié)構(gòu)相互作用分析中。

TU 352.1;

A; do i:10.3969/j.issn.0235-4975.2010.01.012

土-結(jié)構(gòu)相互作用;高層建筑;地震反應(yīng);整體分析方法;簡(jiǎn)化方法