连续地震动作用下框筒剪力墙结构的非线性动力分析

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地震是危害人民生命财产安全最严重的灾害之一,完整的地震灾害包括从主震到余震的连续性地震动。近年来,地震灾害给社会造成了巨大损失,现有的地震记录表明,许多余震是由强烈的主震引起的。通常主震和余震之间的时间间隔很短,在主震下损坏的建筑物不可能在随后的余震发生之前得到修复。在这种情况下,强烈余震可能会加剧结构的破坏。这种现象被称为损伤累积,在以往的地震调查中已得到了证实。因此,研究地震序列对结构整体反应的影响很重要,而不能只考虑主震或单次地震的影响。遗憾的是,目前的抗震设计只是考虑主震的影响,而忽略了余震的危险性。因此结构破坏可能是主震形成,而余震的破坏性可能更大,因为强震之后几乎总是伴随着较弱的地震。当地震震级很高,破坏力强时,随后的小震的数量可能达到上百甚至上千次。如果没有对余震进行报道,那么可能是因为人们忽略了不重要的记录,也可能是由于地震的发源地在海底很深或很远的地方,余震波没有传到观测者那里。理解余震发生的原因是地震学中尚未解决的主要问题之一,人们已经提出了余震的几种产生机制,例如,余震被认为是断层面上未被主震破坏的残余物的再破裂,由主震滑动的应力集中产生,并由主震滑动引起的高孔隙流体压力引起的强度降低引发。虽然所有这些机制都有合理的物理基础,但哪种机制是实际运行的,很少有人根据精确的震后数据来确定。余震的震源分布反映了主震期间破裂的断层面结构。因此,以往的许多研究都是根据余震分布来估计主震断层面的地下结构。本研究以包涵五种不同峰值的地震动的四种不同结构的时程分析为基础,考虑有核心墙和无核心墙的框架筒建筑的结构。结构选型以高度为依据,抗震性能研究以低轴为依据。根据选取不同地震动以获得更好的结果的概念来选取地震动。如果地震次数有限,结论的可靠性很难保证,因此,选择足够多的连续地震动作为荷载输入是项目成功的关键。为了减小近场效应的影响,本研究避免了土-结构相互作用(SSI)效应的影响,并将连续地震动的断层距离增大10km。所有记录均选自同一台站和同一地震事件。选择地震动峰值加速度大于0.1g的地震动作为主震,大于0.05g的地震动作为余震。为确保结构在余震前处于静止状态,并考虑计算时间,在主震和余震地面运动之间增加了100秒的时间间隔。为了解结构在主震和余震作用下的抗震性能,对位于软土高震区(D类场地)的15层、10层和5层的四种不同高度和重量的筒体结构进行了非线性动力分析采用模态反应谱法设计。根据IBC和ACI318-14规定,结构设计为在设计地震(DBE)水平下分层设计极限。利用计算机软件SAP2000进行非线性时程分析,研究了五次地震作用下连续地震动的地震反应。本文所采用的方法是基于时程分析的方法,用时程分析代替其它分析方法,能更适合和更有效地计算结构的地震需求。直接积分时程分析法是一种非线性动力分析方法,它将结构在动载荷作用下的平衡运动方程完全积分。对于性能良好的方法,选择β=1/4的Newmark方法,该方法产生恒定平均加速度法,5%的阻尼用于当前调查。在进行时程分析之前,对结构进行了静力分析和反应谱分析。为了进行非线性动力分析,首先对整个结构进行线性静力分析,计算并考虑力与位移的关系。为了平衡,根据ASCE规范,静态基底剪力应除以设计的动态基底剪力。对于核心墙的绘制和建模,使用的另一个软件是ETABS(extended3danalysisofbuildingsystem),它提供了墙的设计。核心墙的设计数据从ETABS导入到SAP2000,包括尺寸和数量的钢筋和混凝土材料细节。框架筒核心筒和15层无核心筒建筑采用60级钢和6000psi混凝土。在静、动荷载作用下,根据软件设计确定柱、梁的尺寸。软件可以检查损坏的的梁和柱,其中一些梁和柱由于剪切而破坏,可以进行更换,也可以增加该梁或柱的尺寸,以抵抗静荷载和动荷载。线性静荷载和非线性静荷载的比例系数是在线性和非线性分析的基础上选择的,并将它们的基底剪力相互分开以给出准确的值,因此,用软件计算结构的基底剪力是对整个结构进行线性和非线性分析的必要条件。整个过程是为了所选结构完进行时程分析的准备。首先应分析材料的弹性和非弹性特性,因此必须进行静力弹塑性(pushover)分析,以更好地实现所考虑结构的承载力曲线。承载力曲线将改变结构,并显示材料的力学行为。经过静力弹塑性分析,计算出四种结构的承载力曲线,每种结构的线性和非线性曲线都不相同,说明对研究结构的选择是恰当的。本文对线性静态、线性动态结果进行了比较,指出了与时程分析比较的要点。时程分析需要考虑地震动和标度因子,而地震动和标度因子是时程分析的重要组成部分。PEER(pacific engineering sequence research)数据以重力单位9.81m/sec2记录,标度因子取9.81m/sec2。与对等数据不同的K-Net数据及其加速度数据以Gal为单位记录,Gal等于0.01 m/sec2,这是因为软件没有gal单位的任何选项,所以从gal到重力所下载的数据需要进行转换。然后对四个结构进行了主震时程分析,并收集了最大位移、最大基底剪力、应力、最大位移和基底剪力的发生时间等计算数据。在对主震进行分析之后,记录了每层的最大IDR(层间位移),绘制了IDR图。对于地震动的序列类型,采用地震信号软件进行主震和余震的组合,时间间隔为100秒。该软件能较好地分析和实现各种地震动,将主震加速度和余震加速度分离出来,以100秒的时间间隔组合到MS-Excel中,并将组合式(顺序式)导入到SAP2000。对四个所考虑的结构在连续地震动作用下进行了时程分析,将采集到的数据与主震作用下的第一次分析数据进行了比较,发现两者在时程分析中存在巨大差异,IDR对这两种不同的地震动也产生了巨大差异。在以往的研究中,对主震和余震情况下的序列地震动及其对结构的影响进行了广泛的研究。本研究不仅针对中高层建筑,也针对低层建筑。众所周知,在强烈的地震动作用下,高层建筑更易受到地震的影响,但也有些研究涵盖了震后对低层建筑的影响。在阿富汗首都喀布尔通常考虑地震对低层建筑的影响,这个地区的低层建筑比高层建筑多,几乎所有的结构都是框架筒形。它是一个仅拥有700万人口的古城,每年都有10次或更多次主震。有些主震每年有6到7次余震。城市人口不仅受到地震动的影响,还受到经济萧条的影响。地震危及生命安全,更对人们的心态产生巨大的影响,从而在青少年和老年一代人之间产生大萧条。其原因可能是低层和中层建筑及其行为而不是强地震动,这些建筑受到强地震动的风险更大,所有结构都是为主震设计的,而余震的概念在已建建筑的设计中并不重要。因此,希望这个小小的调查能帮助我对未来的研究趋势有更深刻的认识,在未来的研究中,我希望能获得更多的信息,促进科学进步,并能制造出许多更好的想法和理论。希望有一天,我们可以改进更多的想法,从而提高人类生命的安全来取代地震,人可以舒适地生活。影响已建结构的因素很多,但作为一个研究者,考虑连续地震这一思想和研究对今后的低、中高层建筑等地震领域的研究有一定的帮助。在地震研究领域更为重要的另一个概念是最大地面加速度及其与结构最大响应的关系,如屋顶加速度、最大位移和最大基底剪力,这项研究涵盖了这一概念的一小部分,并表明每种结构及其规格与PGA有不同的作用。一些结构在PGA附近有最大响应,一些不同重量和高度的结构在PGA附近有另一个响应。这意味着,在地震动达到时程分析中的最大峰值加速度之前,一些结构会达到最大响应。如果结构设计基于最大PGA,因此不可能预测,那么这种结构可以更好地抵抗强烈的地震动。例如新西兰可以看到,在地震下的一些结构,其最大位移发生在主震之后,与PGA无关,但在这一点上,阿里亚斯强度处于其最大阿里亚斯量。为了得到更好的结果,主震和余震之间的时间间隔是100秒,在余震到来之前,结构完全松动,覆盖了它的阻尼。如果时间间隔较小,则意味着当其他冲击到达时,结构将失去阻尼,因此结构变形将不正确。本文的研究是基于结构的最大响应,研究如位移、基底剪力、层间位移比(IDR)以及地震动的最大加速度与结构在特定点的行为之间的关系。研究表明,在主震和连续地震动作用下,各结构具有不同的性能。高层建筑受地震影响较大,但核心墙的抗震能力远高于其他无核心墙的建筑。结合序列型地震动,增加了结构在相对地震动峰值加速度的地震动烈度作用下的地震动烈度,一些主震烈度小于余震烈度的地震动,对结构的破坏明显加大。地震动PGA与结构最大响应的关系取决于结构的类型、高度和基本频率。研究表明,最大位移不会出现在PGA的准确时间点上,而最大基底剪力总是出现在记录的地震动最大峰值加速度的时间点上。研究还表明,相对于主震地震动,序列型地震动会提高结构的延性要求。冲击后结构相对于主震的残余位移可能增大或减小,残余位移的变化可以反映结构的损伤累积。这意味着结构在连续地震动过程中会发生非弹性变形,从而增加结构的损伤,这一概念在所有考虑地震的结构中都是必要的。
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