土多层框架相互作用体系动力特性及抗震性能试验研究.pdf

硕士学位论文摘要建筑结构抗震设计中的地震反应分析多采用刚性地基假定，计算模型常仅考虑上部结构大量的理论分析和研究表明，在地基土质较软的情况下，地基一基础一上部结构动力相互作用对结构物的动力特性具有十分重要的影响，其地震响应将发生显著的变化广大研究者和工程技术人员在实践中已经意识到将上部结构和地基基础考虑为一个相互作用的整体进行设计的必要性和优越性本文结合国家自然科学基金课题 五∑G j( 1 ．4 )』毒l上面的方法对于土一结构动力相互作用效应的考虑是比较粗略的存在的主要问题有：对于不同的上部结构形式，不同的基础形式，基础埋深，采用一样的折减硕士学位论文系数；只局限于“采用箱基、刚性较好的筏基和桩箱联合基础的钢筋混凝土高层建筑“ ，土一结构动力相互作用是普遍存在的，仅仅是明显与否；当结构高宽比不小于3 时，折减系数从下到上呈线性变化；根据场地类别及地震烈度规定的附加周期取值较粗略；没有区别均匀结构和非均匀结构地震作用在各楼层的折减量这些方面有待进一步研究1 ．5 通用有限元软件M S C ．M A R C 简介M S C ．M A R C 是功能齐全的高级非线性有限元软件，融入了先进的非线性有限元技术和成熟的工程经验。

软件应用领域也从开发初期的核电行业迅速扩展到国防、航空、航天、汽车、造船、铁道、石油化工、能源核电、电子元件、机械制造、材料工程、土木建筑、医疗器材、冶金工艺和家用电器等领域，得到学术界和工业界的大力推崇和广泛应用1 3 9 1 M S C ．M A R C 软件可以处理各种线型和非线性结构分析；提供了丰富的结构单元、连续单元和特殊单元的单元库：提供了模拟多种材料行为的材料模型：卓越的网格自适应技术以多种误差准则自动调节网格疏密；全自动网格重画，纠正过度变形后的网格畸变；多场耦合分析能力；前后图形交互界面与求解器无缝连接；良好的用户开发环境；强大的并行分析能力M S C ．M A R C 求解器是基于位移法的有限元程序，在非线性方面具有强大的功能在分析过程中，利用网格自适应和重划分技术，能够变更单元的划分和节点数目M S C ．M A R C 对于非线性问题采用增量解法，在各增量步内对非线性代数方程组进行迭代以满足收敛判定条件根据具体分析的问题可采用不同的分析方法如对弹塑性分析和大位移分析可采用切线刚度法，对于蠕变分析或热应力分析可采用初应变法M S C ．M A R C 在土木工程学科中可处理各种线性和非线性结构的分析，包括线性、非线性静力分析，模态分析，简谐响应分析，频谱分析，随机振动分析，动力响应分析，自动的静、动接触，屈曲、失稳，失效和破坏分析等。

M S C ．M A R C 程序拥有许多对用户开放的子程序，用户可以根据各自需要用F O R T R A N 语言编制用户子程序，实现对输入数据的修改、材料本构关系的定义、载荷条件、边界条件、约束条件的变更，甚至扩展M S C ．M A R C 程序的功能1 ．6 论文的主要内容及组织结合国家自然科学基金课题《地基一基础一上部结构相互作用体系动力特性研究》( N O ．5 0 2 7 8 0 3 3 ) ，《基于土与结构动力相互作用的结构隔震研究》( N O ．5 0 5 7 8 0 6 2 ) ，本文对土一结构动力相互作用体系进行了试验研究，并在此基础上通过对场地土进行改性进行了基于土一结构动力相互作用的隔震研究进行了探土一结构动力相互作用体系动力特性及抗震性能试验研究索本文的主要内容安排如下：第1 章回顾了土一结构动力相互作用理论研究工作的发展历史、各种研究方法以及本领域的一些主要研究问题，并特别介绍了本领域的研究成果在国内外抗震设计规范中的应用以及高级非线性有限元软件M S C ．M A R C第2 章主要介绍了室内1 ／4 钢框架模型试验，通过牵引释放试验测得了模型在不同工况下的动力特性，如基本频率、阻尼比、振型等，发现上部结构与地基相对刚度比越大基频折减率越大，并由试验数据得到它们之间的关系式。

第3 章主要介绍了室内动三轴试验，通过对加筋干砂的动三轴试验，研究了土工布数量以及围压对土动力参数( 如动剪模量，动阻尼比等) 的影响，为第4 章换填土进行土一结构动力相互作用计算分析提供了参数第4 章运用有限元软件M S C ．M A R C 建立了考虑土一结构动力相互作用的1 ／4钢框架模型，介绍了关于模型的网格划分、人工边界处理、地基和基础接触的考虑、采用计算方法等通过不同频谱特性地震动输入下地震反应分析，总结了相互作用体系的一些规律通过改变地基土的性质，进行了多种工况下的计算，发现在基础周围换填砂垫层或者加筋砂垫层，对于上部结构层间剪力折减具有明显影响第5 章主要介绍了土一结构动力相互作用问题的实用性计算方法，通过两步等效，将土一结构动力相互作用体系等效成基础固定的单自由度体系，对结构的动力特性参数进行修正来考虑动力相互作用，以便于使用刚性基础体系的反应谱进行抗震设计，从所给算例及试验结果来看，效果良好硕士学位论文2 ．1 引言第2 章室内1 ／4 模型试验早在上世纪3 0 年代人们已经认识到在地震作用下上部结构和地基是相互影响的关联体系，应作为整体系统来研究其动力反应国内外学者在土一结构动力相互作用领域的研究取得了长足进展，已有很多理论成果，但是相互作用研究中的最大困难是仍然是缺乏必要的实际数据，因而在土一结构动力相互作用分析存在许多不确定性，限制了其在实际工程中的应用，所以研究中的一个重要方面是进行大比例尺模型的现场试验。

计算结构体系基本频率是结构动力特性的重要指标，在工程抗震计算中，结构基本自振周期及其与场地特征周期的关系对抗震性能有着重要作用考虑S S I时结构体系的基本频率与不考虑S S I 即刚性地基假定时存在差异，这种差异反映了土一结构动力相互作用的效应，因此可将结构基频测试作为研究土一结构动力相互作用效应的一种手段已有理论和试验研究表明，土一结构动力相互作用效应使土一结构体系基频降低，阻尼增大但是针对上部结构与地基相对刚度比以及上部结构与地基相对质量比这些重要参数对基频影响的试验未见有报道目前国内外已经进行的大比例模型试验或原型试验多为核电厂安全壳等特殊工业建筑，而近年来普通工业建筑与民用建筑结构设计中对土一结构动力相互作用考虑的需求越来越迫切，而关于这方面的试验数据明显缺乏基于以上情况，本文设计并进行了一系列室内刚性地基上和土槽中1 ／4 钢框架模型牵引释放试验，通过在梁柱之间布置斜撑，改变上部结构的刚度从而改变上部结构与地基相对刚度比，通过附加人工质量块从而改变上部结构与地基相对质量比，研究土一结构动力相互作用体系基本频率、阻尼比及其振型的变化规律，以期为结构抗震设计提供理论指导2 ．2 模型情况介绍2 ．2 ．1 试验土槽本试验在湖南大学“土一结构动力相互作用实验室“ 内进行，该实验室配有专门的人工土槽，其形式如图2 ．1 所示。

土槽填土为匀质砂性土，其物理参数见表2 ．1 ，根据{ ：建筑抗震设计规范》( G B5 0 0 1 1 ．2 0 0 1 ) 4 ．1 ．6 ，场地为I I 类场地土槽土中埋有拾振器和土压力计土一结构动力相互作用体系动力特性及抗震性能试验研究铜闭门传为l铜闸门·土压力计·轮摄嚣图2 ．1 土槽示意图表2 ．1 土槽土物理参数天然密度( ∥c m 3 )干密度( ∥c m 3 )含水率( ％)等效剪切波速( m ／s )泊松比2 ．2 ．2 模型设计试验模型为1 ／4 钢框架，设计简图如图2 ．2 所示，安装完毕后的钢框架如图2 ．3 所示该钢框架6 层，一跨一开间，层高1 ．O m ，柱采用H 型钢H 1 2 5 x 1 2 5 x 6 ．5 x 9 ，梁采用H 型钢H 1 0 0 x S 0 x S x 7 ，楼板采用1 0 m m 厚钢板，斜撑采用槽钢【8 ，总体尺寸为L x B x H = 1 ．5 r e x l ．5 m x 6 ．0 m 该模型采用高强螺栓连接，层间可以加设斜撑，或拆除斜撑，从而改变上部结构与地基相对刚度比钢框架锚固在2 4 0 0 m m x 2 0 0 0 m m x 4 0 0 m m 的混凝土矩形基础板上。

人工质量块为混凝土块，尺寸为3 5 0 m m x l 3 5 0 m m x 3 0 0 m m ，平均质量为3 3 0 k g7 5 0．7 5 0’1 5 0 0‘妻××鼋> l } 1 0 q ) ，土非线性变形性质表现显著，用周期循环加载试验测应力一应变曲线来确定动力参数目前在场地地震反应分析、土一结构体系的动力相互作用分析中，多采用等效线性化方法在台湾罗东核电厂模型的地震观测中，对安全壳模型地震反应的盲测结果表明等效线性化方法用于土层的地震反应和土一结构的动力相互作用是可行的D s ] 这种模型因其具有概念明确，便于实际应用的特点，目前得到了广泛应用在用等效线性化方法考虑土的非线性性能时，必须用到表示土动力性能的一个参数和两条曲线：G o ，G ／G 0 ～厂，A ～y ，它们的选择是否符合实际情况对计算结果的可靠性有重要影响国内外对加筋土研究较多，但均集中静力试验，本文旨在研究利用加筋砂土垫层来达到建筑物隔震的目的，对加筋砂动力特性比较感兴趣，而振动三轴试验是室内研究土动力特性的有效手段，因此结合实验室条件，进行了一系列加筋砂土动三轴试验来确定加筋砂的动力性能3 ．2 等效线性模型等效线性模型[ 4 7 , 4 8 】是把土视为粘弹性体，采用等效剪切模量G 和等效阻尼比A 这两个参数来反映土动应力一动应变关系的两个基本特征：非线性和滞后性，并且将模量与阻尼比均表示为动应变幅的函数，即q = G ( 乃) 和A = ／l ( r d ) 。

同时，在确定上述关系中考虑静力固结平均主应力的影响3 ．2 ．1 确定动剪模量H a r d i n 等人由试验得出了土在周期荷载作用下的应力一应变关系为双曲线型，如图3 ．1 a ) 所示，其表达式可写成： 乃5 盘 G otP式中，白为动剪应力，乃为动剪应变，( 3 ．1 )G o 为初始剪切模量，0 为最大动剪应硕士学位论文力令口：了1 ，6 ：上，式( 3 ．1 ) 经过移项以后成为直线函数，如图3 ．1 b ) 所示 丘Of y百1 = 口+ 饥上式表示一直线直线的截距为a ，斜率为b 0Il／ A 氐必Qr ，|，．’钐厂_ 一I ：盈 巧’芍o，，b白lI巧‘ ／r一／、口一O白( 3 ．2 )a )r d 一儿关系b )1 ／G ‘，～儿关系图3 ．1 动应力一应变的数学模型定义G o 坡度线与勺水平线的交点的横坐标为参考剪应变以，即以= 导( 3 ．3 )于是式( 3 ．1 ) 可改写为：吼2 詈2 ‘1 五2 西O o( 3 ．4 )儿上‘且1 ‘丝 G oG 0 以以即： 鲁= 七：上( 3 ．5 )—三= 一= 一f { ’l G o1 + 丝l + A y d、7以式( 3 ．5 ) 是骨干曲线的另一种表达式。

由于是无量纲量，所以应用比较广泛只要确定了G 0 和勺，就可得出q = G ( 乃) 的函数关系大量的试验证实，可以认为％一％关系和r d ～儿关系具有相同的规律由动三轴试验的轴动应变岛可以求得动剪应变儿，由动三轴试验所得的压缩弹性模量岛也可以求得动剪切弹性模量q 二者之间具有如下换算关系：土一结构动力相互作用体系动力特性及抗震性能试验研究Y d = 白( 1 + ／z )Fa d 赤因此可以根据动三轴试验成果获得乃～乃关系3 ．2 ．2 确定阻尼比( 3 ．6 )( 3 ．7 )阻尼比旯为实际的阻尼系数与临界阻尼系数之比，由与能量损失系数之间的关系推得，由滞回圈面积彳工和由原点到最大幅值点( ‰，‘) 连线下的三角形面积彳r 计算阻尼比五拈盘( 3 ．8 )4 以、7图3 ．2 动应力一应变关系H a r d i n 等人从典型应力应变滞回圈出发，如图3 ．2。