考虑基础提离效应的结构非线性地震响应研究

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在实际的强烈地震作用下往往会出现基础与地基土发生一定分离、结构摇摆的情况,地基与基础在强震时不可避免地会发生塑性和非线性行为。既然不可避免,那能否加以利用呢?出于对此问题的思考,允许结构基础与地基土发生分离,即所谓的结构摇摆分析逐步引起人们的关注。随着研究的深入,土-结构相互作用效应已得到了广泛认可,但对于允许结构基础与地基土发生分离理念的接受程度还远远不够。为进一步确定基础提离效应对结构地震响应的影响,本文通过理论分析、数值计算和模型试验相结合的方法分别研究基础提离对刚性摇摆体和柔性框架结构摇摆地震响应的影响。
  本文首先以刚性地基上的刚性块体为研究对象,采用经典的提离摇摆理论分析模型,探讨刚性楼板上无锚固设备的摇摆地震响应;然后针对更接近实际工程结构情况的柔性结构提离摇摆模型,设计柔性地基上多层框架结构振动台试验,探讨基础提离、基础尺寸和地震波类型等对结构动力响应规律的影响;最后,在试验研究的基础上,建立考虑基础提离效应的计算模型对试验进行模拟,对比试验和数值模拟结果,验证计算方法的可行性,在此基础上进行大量参数分析,探讨摇摆结构地震响应规律。
  基于本文的研究,可得如下主要结论:
  (1)转动半径、临界转角决定了刚性块自身的形状尺寸与摇摆特性,刚性块的摇摆响应随临界转角、转动半径的增大而减小;当激励的频率小于1Hz时刚性块易发生倾覆;刚性块的摇摆响应受地震波类型的影响显著,不同输入下的刚性块摇摆响应谱存在较大差异,其中转动响应谱对刚性块的高宽比非常敏感。
  (2)振动台模型试验结果表明:结构在较大地震作用下会发生基础提离、摇摆现象;基础的提离摇摆造成结构水平加速度、基础竖向加速度均显著增加,同时产生较多高频成分,而顶部竖向加速度有所减小;摇摆结构的提离摇摆在一定程度上能减小结构受到的地震作用。
  (3)试验模拟的结果表明所建立的数值模型能反映结构的提离摇摆响应。基于该模型的参数分析表明:与固定情况相比,可提离模型的柱底剪力与弯矩显著减小,可见结构发生提离摇摆时改变了结构内力分布,自身的弯曲变形降低;基础的提离摇摆会显著增加结构的水平加速度与水平位移响应响应,且发生提离摇摆时结构底层层间位移往往较大,是抗震的薄弱部位;框架基础的提离摇摆程度受基础尺寸影响显著,同时框架层间位移响应会随基础尺寸的增大而减小。
  
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