高层建筑土-结构相互作用地震反应分析研究

摘要

土-结构相互作用是一个具有重大理论意义和工程应用价值的课题。在过去四十年的研究中，在理论和实践方面已取得重大进展，但仍存在许多有待进一步研究的重要问题，发展一种有效和实用的土-结构相互作用分析方法以及了解土-结构相互作用对结构地震反应的影响就是其中的两个问题。本文在国内外土-结构相互作用研究发展现状的基础上，以钢筋混凝土高层建筑为研究对象，进行了高层建筑土-结构相互作用地震反应分析研究，为重要个体高层建筑和一般高层建筑的土-结构相互作用地震反应分析提供了多种实用的分析手段，为认识土-结构相互作用对高层建筑地震反应的影响和抗震设计方法提供了依据。主要研究内容算如下：
　　 ⑴将土与结构作为一个整体，采用能很好模拟上部结构和下部地基基础受力特性的平面土-结构相互作用模型，提出了一种实用的高层建筑土-结构相互作用地震反应整体分析方法。该方法的上部结构采用平面框架-剪力墙(简体)协同工作模型；地基土体以在计算平面内高度为H、宽度为B、在出平面方向厚度为t的土体来模拟；土体在静力分析时采用Duncan-Chang模型，动力分析时采用等效线性化模型；基础根据其形式及刚度，分别以梁单元、刚块单元或受弯板单元来模拟。为了在一般单体机上实现所提出的方法，对有限元软件MSC.Marc进行了二次开发，添加了多层土的静力Duncan-Chang本构关系模型和动力等效线性化本构关系模型，并通过两个算例验证了其可靠性，使MSC.Marc软件成为该方法的理想分析工具。此方法可用于重要单体高层建筑详细的土-结构相互作用分析。
　　 ⑵选择不同高度、不同结构类型和不同场地条件的位于厚和深厚地基土层上的10栋典型钢筋混凝土高层建筑，采用所提出的整体分析方法，对比分析了基岩波、地面波和地震动等效输入波，以及考虑与不考虑土-结构相互作用体系的自振特性和地震反应，详细研究了土-结构相互作用对位于厚和深厚地基土层上高层建筑地震反应的影响。通过对地震反应影响的综合分析，在地震动输入、自振特性、相互作用影响因数、体系地震反应等方面得到了一些具有实用价值的结论和关系式，在此基础上，给出了一种以结构与土层第一周期系数aT为指标的高层建筑土-结构相互作用地震反应分析简化评估方法。该方法无需进行复杂又费时的高层建筑土-结构相互作用分析，仅利用简单省时的结构和土层反应分析结果，就可估计出高层建筑土-结构相互作用体系的反应，可用于高层建筑考虑土-结构相互作用地震反应的初步估计。
　　 ⑶以采用所提出的整体分析方法计算得到的10栋典型高层建筑的计算结果为标准，上部结构仍采用整体分析方法给出的平丽框架一剪力墙(简体)协同工作模型，参考《动力机器基础设计规范》(GB50040-96)，给出了地基基础的两层简化模型，通过与10栋典型高层建筑标准结果的对比，进行了地基质量、土体模型自由度、抗剪刚度和阻尼比的逐步改进。将地基土体质量由原模型的基础以下基岩以上的土体质量改为整体分析法给出的土体质量；将地基土体由原模型的两个自由度改为多个自由度，并给出了各层土体抗剪刚度的确定方法；建议土层的剪切模量G取0.5倍的Gmax、阻尼比取15％，提出了修正的层层简化模型，给出了一种高层建筑土-结构相互作用简化分析方法。通过该方法和整体分析方法的计算结果比较发现，较原两层简化模型的方法，土-结构体系的自振特性和结构顶点加速度峰值有明显改善，结构顶点加速度反应谱更为合理，尤其是长周期段峰值所对应的周期均与整体分析方法结果更为接近。由此表明，该方法可作为一种合理实用的高层建筑土-结构相互作用简化分析方法，用于一般高层建筑土-结构相互作用的分析和重要高层建筑土-结构相互作用的初步分析。另外，该方法给出的地基基础简化分析模型，也可推广应用于其它类型建筑物、结构工程的地基基础和土-结构相互作用分析中。