考虑土-结构相互作用的框架结构抗震性能分析

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目前我国的抗震设计方法是基于刚性地基假定进行的,对于大部分的结构设计并未考虑土-结构相互作用(Soil-Structure Interaction,简称SSI)的影响,仅考虑了基于刚性地基假定的地震折减。国内外大量研究成果表明,由于土-结构相互作用会导致结构自身的振动周期延长,可能会导致上部结构的振动频率接近于场地土的卓越频率而产生类共振现象,进而会出现比较严重的震害,因此在抗震设计中不考虑土-结构相互作用尤其是对建造于软土地基之上的高层建筑物是不安全的。本文以一6层3跨的RC框架结构为主要研究对象,采用有限元软件SAP2000和ABAQUS作为模型建立和分析平台,通过静力非线性分析、动力非线性分析、结构能量响应及基于IDA的动力时程分析,对比分析了刚性地基模型和土-结构相互作用模型下的差异及倒塌能力。本文主要内容如下:(1)建立两种框架结构有限元数值模型,并进行了模态分析。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》要求,刚性地基模型与土-结构相互作用模型的T3/T1均小于0.9,表明该结构的设计满足规范要求。并介绍了考虑土-结构相互作用下结构的阻尼修正方法,以及结构的本构模型的选择。(2)通过SAP2000软件首先对两种模型进行了静力非线性分析,选择两种侧向加载方式,对比了两种模型下的结构顶点位移、基底剪力及最大层间位移角。随后进行了动力非线性分析,根据场地类别及地震分组选择了三条地震波,并考虑了结构地震下的能量响应,同时与静力非线性分析下的结构进行了对比。结果表明:当考虑土-结构相互作用时,结构基底剪力减小,顶点位移增大,且结构的破坏主要集中在首层,柱端出现了塑性铰,更符合实际的震害情况,结构的阻尼耗能要小于刚性地基情况,表明当考虑土-结构相互作用时,土体对上部结构地震总能量的传递起到了减小作用。(3)通过ABAQUS对两种模型进行IDA分析,根据ATC-63选二十多条地震波作为分析地震波备用,选择合适的地震动参数指标DM和IM及结构的极限状态指标,进行地震波的调幅计算,根据安全储备系数CMR对结构在不同地震动水平下的抗倒塌能力进行定量化评估。结构表明:当考虑土-结构相互作用时,与刚性地基相比,结构更容易破坏倒塌,在三种结构性能状态下(IO、LS、CP)结构的倒塌超越概率曲线要高于刚性地基模型,安全储备CMR要小于刚性地基模型。
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