考虑桩-土-结构动力相互作用的基础隔震结构地震响应分析

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结构减震控制技术中,隔震技术由于其具有简单易懂的概念、稳定的工作性能、低廉经济的造价等优点,成为结构减震控制最为常用的手段之一,国内外每一次地震的震后调查数据都充分体现了隔震技术的优越性。目前为止,全世界绝大多数的建筑都采用了隔震技术作为预防和抵御地震的最有效手段。然而,国内外大量的隔震工程考察发现,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类场地较适合修建隔震建筑,而由于Ⅳ类软土场地中,软土会将地震波的中高频分量滤掉,改变地震波的频谱特性,当采用隔震技术延长结构的周期时,其地震响应将增大而不是减小。此外,目前在对隔震结构进行理论分析时,均是基于假定地基基础为刚性的前提下进行分析的,从而忽略了地基-基础-结构三者之间相互作用对上部结构的影响。事实上,地基基础对结构的振动特性是有影响的,尤其是土质较软的场地,仅仅单独考虑隔震层和上部结构的动力力学性能是不全面的,只有充分考虑到软土场地下基础和土体发生大变形时对隔震结构力学性能的影响,才能设计合理的隔震结构,保证其具有良好的减震效果和安全性。基于此背景,本文使用ETABS软件利用不同的连接单元模拟不同的桩-土耦合体系,建立考虑桩-土-结构动力相互作用(PSSI)的基础隔震结构分析模型,对其进行动力时程分析,探讨Ⅳ类软土场地中桩-土-结构动力相互作用对基础隔震结构的影响规律。主要研究内容和成果如下:(1)研究了桩-土-结构动力相互作用简化计算方法的基本原理,论述了用简单的弹簧-阻尼器振动模型来近似模拟弹性半空间地基介质的方法,并分析了振动模型中地基刚度、阻尼系数和附加质量,以及单桩地基阻抗的近似计算方法。(2)运用ETABS软件建立刚性地基上的基础隔震分析模型和考虑桩-土-结构动力相互作用的基础隔震结构分析模型,其中的桩-土子结构体系用简化计算方法求解出其阻抗,并用弹簧阻尼器等效代替。然后对两种模型进行模态分析和动力时程分析,对计算结果进行对比分析。结果显示,考虑PSSI效应后基础隔震结构的自振周期会延长,并且基础隔震结构的动力响应被大幅度放大;PSSI效应降低了基础隔震结构的隔震效果,对隔震层位移的放大作用会导致支座变形超过设计容许限值甚至破坏。(3)通过ABAQUS有限元分析软件,建立考虑非线性属性的桩-土耦合体系,通过在桩顶处施加水平荷载作用,求得桩-土耦合体系的恢复力关系曲线。然后在ETABS软件中通过设置Plastic(Wen)连接单元来建立桩-土-基础隔震结构分析模型,最后对分析模型进行模态分析和动力时程分析,将计算结果与之前的两个模型的响应结果进行对比分析。结果表明,考虑了非线性属性后,PSSI效应仍然对基础隔震结构的响应起放大作用,但其放大程度较未考虑非线性属性时的要小;PSSI效应对基础隔震结构的影响主要集中在隔震层;设计分析时考虑PSSI效应对基础隔震结构的影响是有必要的,且如果能考虑到材料的非线性属性将会得到更为真实准确的结果。(4)通过对直接输入到结构中的地震波和先通过地基土体后再输入到结构中的地震波分别进行频谱分析。结果显示,软土场地中的土体会将地震波频率成分中的短周期成分吸收而导致长周期成分为主,地震波的主要频段向低频段移动,同时软土还会放大地震波功率幅值,这对于基础隔震结构而言是不利的;考虑了PSSI效应会改变输入到基础隔震结构的地震波特性,如果未考虑PSSI效应,所得到的计算结果会小于实际反应结果,所设计的基础隔震结构是不安全的。
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