有限刚度基础对掉层框架结构性能影响研究

摘要

山地掉层结构存在天然的竖向不规则和扭转不规则，其结构受力变形特点、破坏模式等均不同于平地规则结构。掉层框架结构上下接地的不等高性使其受地基土体影响较大，合理考虑基础有限刚度对掉层框架结构的影响有利于更准确的研究掉层结构的动力特性和抗震性能，选择一种合理又适用于工程实际的基础刚度考虑方法也是方便研究与工程应用的关键。　　本文借鉴了国外基础有限刚度计算的方法，引入美国规范与技术报告均采用的基础有限刚度计算方法和土弹簧模拟模型以计算掉层框架结构的基础有限刚度。利用SAP2000软件通过弹性反应谱分析与动力弹塑性时程分析对不同地基土情况下（即不同基础刚度）对掉层框架结构受力与变形等的影响规律进行了研究分　　析，主要分析了层剪力、扭转位移比、层间位移角和塑性铰分布等极具代表性的参数，并在此基础上总结出了掉层框架结构性能受基础有限刚度影响的规律。本文的主要研究工作与成果如下：　　①详细介绍了天然浅基础与桩基础的地基基础有限刚度计算方法，包括基础几何参数定义、土体特性参数计算、基础埋置深度及动力荷载效应对基础有限刚度的影响等。对比了两种基础的适用性并梳理了桩基础的基础刚度计算流程。　　②研究分析了上下接地层均考虑基础有限刚度时掉层框架结构的自振周期、层剪力、扭转位移比、层间位移角和塑性铰分布等。结合弹性和弹塑性分析结果发现，结构在考虑基础有限刚度后，虽然弹性的扭转效应因为地基刚度的柔性有所减小，但在地震波作用下，结构进入弹塑性与非线性后，位移成为结构破坏的控制量，结构的扭转效应增大且变形向下部楼层集中且明显增大，对结构薄弱层的变形控制不利。罕遇地震下，考虑基础有限刚度后上接地层框架梁破坏明显，但框架柱相对安全，均在直接使用状态内。　　③研究了仅考虑上接地层基础有限刚度时掉层框架结构的自振周期、受力和变形与塑性铰分布。结合弹性和弹塑性分析结果发现，结构在考虑上接地基础有限刚度后，各个楼层扭转效应明显减小，结构的变形向下部楼层集中且明显增大，对结构薄弱层的变形控制不利。罕遇地震下，考虑上接地基础刚度后上接地层框架梁破坏明显，掉层部分柱铰增加但未破坏，结构塑性铰分布向下部集中。　　考虑了地基基础有限刚度后，框架柱塑性铰较少且未见破坏，但掉层框架结构上接地框架梁破坏严重，结构的上接地层与掉层部分变形大且集中，涉及结构的安全性和适用性，故建议对建于土质地基的掉层框架结构，进行抗震设计时合理考虑基础有限刚度。

目录

主要符号

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.2.1 基础刚度计算及模拟方法研究现状

1.2.2土-结构相互作用研究现状

1.2.3掉层框架结构抗震性能研究现状

1.3.1 研究目的

1.3.2研究内容

2 有限基础刚度理论介绍

2.1 引言

2.2.1 基础几何尺寸

2.2.2 土体特性参数

2.2.3 浅基础刚度

2.3.1 基础几何尺寸

2.3.2 桩基础刚度

2.4.1 基础刚度计算方法选取

2.4.2基础刚度分析模型

2.5 本章小结

3 掉层框架结构分析模型与方法

3.1 引言

3.2.1 模型设计

3.2.2 SAP2000建模

3.3.1 静力弹塑性分析方法

3.3.2 弹塑性时程分析方法

3.3.3 地震记录的选取

3.4 本章小结

4 考虑有限基础刚度对掉层框架结构影响分析

4.1 引言

4.2.1模态分析

4.2.2结构水平位移分析

4.2.3结构水平内力分析

4.3弹塑性时程分析对比

4.3.1结构弹塑性水平位移分析

4.3.2结构水平内力分析

4.4 结构塑性铰分布

4.4.1 结构上接地层塑性铰分布

4.4.2结构立面塑性铰分布

4.5 本章小结

5 仅上接地层考虑有限刚度基础对掉层框架结构影响分析

5.1 引言

5.2.1模态分析

5.2.2结构水平位移分析

5.2.3结构水平内力分析

5.3弹塑性时程分析对比

5.3.1结构弹塑性水平位移分析

5.3.2结构水平内力分析

5.4 结构塑性铰分布

5.4.1 结构平面塑性铰分布

5.4.2结构立面塑性铰分布

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 本文主要工作及结论

6.2 后续研究展望

参考文献

附录

致谢