遠(yuǎn)場地震動(dòng)作用下土-結(jié)構(gòu)相互作用對深厚土層上高層建筑的影響.pdf

1、地震時(shí)土體與結(jié)構(gòu)相互作用是一個(gè)普遍且復(fù)雜的問題。1985年墨西哥地震和2008年汶川地震對遠(yuǎn)震區(qū)的中、高層建筑造成了嚴(yán)重破壞。當(dāng)前對于深厚土層上的高層建筑抗震設(shè)計(jì)是基于剛性地基假設(shè)之上的，并沒有考慮土-結(jié)構(gòu)的相互作用。本文圍繞深厚軟弱地基上不同的上部結(jié)構(gòu)形式、基礎(chǔ)形式對高層建筑抗震性能的影響和輸入地震動(dòng)頻譜特征對深厚軟弱地基上高層建筑抗震性能的影響這兩個(gè)方面展開研究，具體進(jìn)行近、中和場地震動(dòng)作用下土-結(jié)構(gòu)相互作用對深厚土層上高層建筑影響

2、的研究。
　　 當(dāng)前對地震學(xué)和地震工程學(xué)中的近場和遠(yuǎn)場地震動(dòng)的概念的使用交叉混亂，本文總結(jié)了近場和遠(yuǎn)場地震在地震學(xué)和地震工程學(xué)中的提法和區(qū)別，并認(rèn)為在研究本文方向工作時(shí)，可以將近場、近源和近斷層地震動(dòng)統(tǒng)一稱為近場地震動(dòng)。并總結(jié)了汶川地震中近、遠(yuǎn)場地震動(dòng)分別對工程結(jié)構(gòu)的影響。
　　 本文采用整體有限元法對土-結(jié)構(gòu)相互作用體系分別進(jìn)行二維和三維建模，并采用MSC.Marc作為分析工具。在建模方法中，對上部結(jié)構(gòu)分析模型、基礎(chǔ)分

3、析模型、地基土體模型、土體本構(gòu)關(guān)系的選用、材料阻尼的施加、土體人工邊界條件的施加、土體計(jì)算區(qū)域的確定、地震激勵(lì)的選擇及輸入給出了詳細(xì)介紹。在靜力分析時(shí)，土體的本構(gòu)關(guān)系采用Duncan-Chang(E-B)模型；在動(dòng)力分析時(shí)，土體的本構(gòu)關(guān)系采用等價(jià)非線性粘-彈性模型。MSC.Marc并不自帶這兩個(gè)本構(gòu)模型，本文采用FORTRAN語言工具編寫了這兩個(gè)子程序，并將之嵌入到MSC.Marc中。人工邊界條件選用粘-彈性人工邊界條件將土體從有限域轉(zhuǎn)

4、變成無限域。
　　 鑒于計(jì)算效率的問題，本文采用二維分析模型進(jìn)行土-結(jié)構(gòu)相互作用對深厚土層上高層建筑的影響研究。根據(jù)本文所介紹的土-結(jié)構(gòu)相互作用體系模型的建立方法，首先對三棟結(jié)構(gòu)形式分別為框架、框架-核心筒、框架-剪力墻的高層建筑進(jìn)行二維建模。本文對土-結(jié)構(gòu)相互作用體系模型分別施加汶川地震動(dòng)所獲取的三條近、中、遠(yuǎn)場基巖地震動(dòng)，得到上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。然后通過土層反應(yīng)分析，將基巖波生成地表波。再對三棟高層做剛性地基假設(shè)，輸入近、中

5、、遠(yuǎn)場的地震動(dòng)的地表波，得到上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，并將考慮與不考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的高層反應(yīng)結(jié)果進(jìn)行對比。最后得到的主要結(jié)論有：土層對地震動(dòng)的放大效應(yīng)受場地條件和基巖輸入地震動(dòng)頻譜特性的影響，深厚軟弱土層對于遠(yuǎn)場地震動(dòng)的放大效應(yīng)比近場地震動(dòng)要顯著；如果結(jié)構(gòu)的基頻與場地的基頻相接近時(shí)，結(jié)構(gòu)的反應(yīng)會(huì)比較劇烈，即發(fā)生所謂的共振現(xiàn)象，這一結(jié)論在算例一中得到了體現(xiàn)；當(dāng)結(jié)構(gòu)的基頻與土層的基頻相差較大時(shí)，考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)，地基土的絕對位移變大，上

6、部結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移變大，而層間位移、層間位移角和結(jié)構(gòu)內(nèi)力變小；對于考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的結(jié)構(gòu)體系，對于相同幅值的近、中、遠(yuǎn)場地震動(dòng)輸入，三個(gè)算例的遠(yuǎn)場地震動(dòng)作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)明顯大于近場和中場地震動(dòng)作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，由此證明遠(yuǎn)場地震動(dòng)的長周期成分更容易對體系造成更大的結(jié)構(gòu)反應(yīng)。
　　 由于三維土-結(jié)構(gòu)相互作用體系模型的自由度和單元數(shù)非常龐大，對計(jì)算機(jī)的性能有較高的要求，本文僅對第二個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，地基取較薄的土層，對三維土-結(jié)構(gòu)