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软土场地下土与结构相互作用BRB混凝土框架抗震性能研究.pdf
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1、1 8 4 四川建筑科学研究 S i c h u a n Bu i l d i n g S c i e n c e 第 3 9卷第 5期 2 0 1 3年 1 O月 软土场地下土与结构相互作用 B R B混凝土 框架抗震性能研究 王涛锋 , 李春祥 , 朱碧蕾。 ( 1 上海大学土木工程系, 上海2 0 0 0 7 2; 2 上海维固工程实业有限公司, 上海2 0 0 0 0 0 ; 3 同济大学建筑设计研究院, 上海2 0 0 0 7 2 ) 摘要: 国内外结构的抗震设计中均沿用刚性地基的假定, 这是为了简化抗震计算而作的近似, 在地震作用下上部 结构与其支承介质土壤之间存在着相互依赖、 相
2、互影响的关系, 土一 结构相互作用( S o i l S t r u c t u r e I n t e r a c t i o n ) 是 影响结构地震响应和损伤的重要因素。屈曲约束支撑 B R B( B u c k i n g R e s t r a i n e d B r a c e ) 作为一种消能减震构件 , 在 小震下作为普通支撑提供侧向刚度, 强震下作为一道抗震防线, 先于主要构件产生屈服变形耗散地震能量, 从而有 效地保护强震中主体结构免于损坏至关重要。本文分别选取原结构、 B R B结构和 S S I B R B结构三种体系, 分析罕 遇地震作用下结构体系的抗震性能, 考虑
3、S S I 效应时, B R B变形能力有明显的改善。B R B结构、 S S I B R B结构的耗 能能力提高。 关键词: 土 结构相互作用;屈曲约束支撑; 纤维模型; D P模型; 弹塑性分析 中图分类号: T U 3 1 1 4 文献标志码: A 文章编号: 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 51 8 4 0 5 S e i s mi c a n a l y s i s o f t he r e i n f o r c e d c o n c r e t e f Ir a me s t r u c t u r e c o n s i d e r i n g S
4、O f t s o i l s t r u c t ur e i n t e r a c t i o n W_ANG T a o f e n g LI Ch u n x i a n g ZHU Bi l e i ( 1 D e p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g , S h a n g h ai U n i v e r s i t y , S h a n g h a i 2 0 0 0 7 2, C h i n a ; 2 S h ang h a i WE I G U E n gi n e e r i n g C o , L t
5、 d , S h a n g h a i 2 0 0 0 0 0 , C h i n a ; 3 D e p a r t m e n t o f C i v i l E n gi n e e ri n g A r c h i t e c t u r a l D e s i g n I n s t i t u t e o f T o n g j i U n i v e rs i t y , S h a n g h ai 2 0 0 0 7 2 , C h i n a ) Ab s t r a c t : T h e s e i s m i c d e s i g n t h e s t ruc
6、t u r e a s s u mp t i o n t h a t t h e b asi c i s ri gi d f o u n d a t i o n , t h i s me t h o d w i l l s i m p l i f y t h e e a a h q u a k e - res i s t an t c alc u l a t i o n, h o w e v e r , t h e rel a t i o n s h i p b e t w e e n s o i l a n d s t r u c t u r e rel y o n e a c h o t
7、h e r mu t u a l an d i n flu e n c e t h e e ff e c t s o f e a rt h q u a k e and i t s s u p p o r t i n g me d i a , s o i l s t ruc t u r e i n t e r a c t i o n i s a i mp o r t ant f a c t o r t o e a r t h q u a k e r e s p o n s e a n d d a ma g e o f t h e s t ruc t u r e B u c k i n g Re
8、s t r a i n e d Br a c e i s a v i b r a t i o n s u p p r e s s i n g d e v i c e, i n s ma ll e a r t h q u a k e s a s o r d i n a r y b r a c e t o p r o v i d e l a t e r al s t i ff n e s s r e s i s t an c e t o t h e s t ruc t u r e , u n d e r r a r e e a r t h q u a k e t h e B R B p r i o
9、 r t o m a j o r c o m pon e n t s a n d p r odu c e y i e l d d e f o r m a t i o n t o d i s s i p a t i o n s e i s m i c e n e r g y P r o t e c t t h e s t ruc t u r e d a m a g e , w e s e l e c t t h e o ri gin al s t ruc t u r e B R B s t r u c t u r e and S S I B R B s t ruc t u re, a n al
10、y s i s t h e res i s t a n t beh a vi o r a n d t h e a c t i o n o f t h e s t r u c t u re u n d e r t h e r a r e l y me t e a r t h q u a k e W h e n c o n s i d e r t h e S S I e ff e c t , B RB w i ll i mp r o v e t h e d e f o rm a t i o n a b i l i t y o f t h e s t r u c t u r e , e n h a
11、n c e t h e d i s s i p a t i o n c a p a b i l i t y o f t h e B RB s t r u c t u r e a n d S S I - BRB s t ruc t u r e Ke y wo r d s: s o i l s t r u c t u r e i n t e r a c t i o n; b u c k i n g r e s t r a i n e d b r a c e ; fi b e r mode l ; D r u c k e r - P r a g e r mo d e l ; e l ast i c
12、- p l ast i c a n aly s i s 0 引 言 传统的抗震分析假定结构为刚性地基 , 事实上 , 除了结构直接以岩土作为支承的个别情况外, 一般 结构均以土作为支承介质。同一个结构, 在刚性地 基和柔性地基上的动力反应特性 是不同的。 屈曲约束支撑 作为一种消能减震构件, 在小 震下不屈服, 作为普通支撑提供侧向刚度, 在强震 下, 于预定的地震作用下先于主要构件产生屈服变 收稿 日期 : 2 0 1 2 -0 3 1 4 作者简 介: 王涛锋 ( 1 9 8 4一) , 男 , 硕士 , 主要从事结 构抗震研究 。 E ma l l : wa n g t a o f e
13、n g 1 2 6 c o m 形耗散地震能量 , 从而达到降低结构地震反应 的 目 的。由于屈曲约束支撑作为一道抗震 防线 , 在强震 下能否首先屈服 , 耗散地震输入结构的能量 , 起到主 要构件安全的 目的, 本文对软土地基上考虑土体与 结构相互作用 刮情况下, 研究屈曲约束支撑耗能性 能影响。 1 结构计算模型及参数 1 1 工程概 况 本文 以上海某 6层钢筋混凝土结构为例 , 底层 层高 4 5 m, 其他层层高 3 6 r n , 板厚 1 0 0 I T I m, 横向 主梁截 面为 2 5 0 mm4 5 0 mlT l ,纵 向主梁 截面 为 2 0 1 3 N o 5 王
14、涛锋 , 等: 软土场地下土与结构相互作用 B R B混凝土框架抗震性能研究 1 8 5 2 5 0 m m 6 0 0 m m,梁柱混凝土强度等级为 C 2 5 。采 用有限元方法进行非线 性分析 。 引。梁 、 柱采用基 于材料的纤维梁单元 B 3 2来模拟 , 楼板采用 壳单元 模拟 , 钢筋与混凝 土之间的粘结关系可 以采用关键 字 R e b a r 方法模拟 , 土体采用实体单元模拟。结构 整体模型如图 1 所示。 图 1 S S I - B RB - 模 型 F i g 1 S S I - BRB- mo d e l 1 2混凝土本构模型 有限元分析 中须 引入混凝土的本构关系
15、, 混凝 土采用陆新征子程序中塑性损伤模型- 8 J , 受压骨架 线 由式( 1 )( 3 ) 定义 , 初始弹性模量 E为骨架线上 升段在原点处的切线斜率, E o = 田 受拉骨架线 为带有软化段 的双线型 , 上升段 弹性 模量为 E 。 , 达 到轴心抗拉强度 后进入刚度为 y 。 的下降段 , 完 整 的混凝土单轴拉、 压骨架线如图 2所示。 or= 厶 。_ f 2 + 1 0 占 co ( 1 ) 6c o、 棚 = 厶 + ( 8 ) 。 ( 3 ) 式 中厶 为混凝 土轴心抗压强度 ; 为极 限压应变 ( s 。 ) 对应的混凝土强度。 I t Y , Eo l r , t
16、E 芝 6R rn旺 、一 , ( a ) 骨架线 ( b ) 加卸载规则 图2 混凝土单轴本构 Fi g 2 Co n c r e t e u n i a x i a l c o n s t i t ut i v e 通过一个虚拟点 R控 制卸载与再加载 刚度 的 退化, R的位置由损伤参数 d 。 决定。R点对应的应 变按式( 4 ) 计算, 对应的应力为 E 。 , d 的取值范 围如式( 5 ) 。 一 4 ) d 。 1 ( 5 ) cuD O 1 3 B R B本构模型 由于 B R B的芯材为低屈服点钢, 如图 3 ( a ) 所 示 ; 钢材反复加载的应力一 应变本构关系可采用
17、子程 序中双线性随动硬化模型 】 , 如图 3 ( b ) 所示 ; 材料 参数包括屈服强度 , 弹性模量 E o 和屈服后强度系 数 , 可以模拟反复荷载作用下钢构件的力学行为。 口J 。 、 图 3 B R B模型 F i g 3 BRB mo d e l 1 4土体本构模型 土体在应力超过一定限度后将产生塑性变形 , 对于一般的工程问题 , 可以采用弹塑性模型 来描 述土体 的这一特性。D r u c k e r P r a g e r 模型 ” 是 一种 理想弹塑性模型 , 能较好 的反映土的特性 。D r u c k e r P r a g e r 模型是在考虑静水压力影响的广义 M
18、i s e s 屈 服准则上建立起来 的, D r u c k e r - P r a g e r 模型在 叮 r 平面 上是一个圆, 表述简单。在三维应力空间中 D r u c k e l 一 P r a g e r 模型屈服准则 由主应力空间的锥 面表示。 屈服条件为: F= 1 1 + 一k:0 ( 6 ) 式中 , 。 、 , 2 分别为应力张量第一不变量和应力偏 量第二不变量; 。 、 k 为材料参数。 , l=or 1+or 2+or 3 ( 7 ) = ( or1一or 2 ) +( or 2一or 3 ) +( or 3一or1 ) ( 8 ) ) 高 高 式 中 和 c为材料
19、的内摩擦角和粘聚力 ; or 、 : 、 or 为主应力 。 对于三轴拉伸试验 , 屈服准则的控制方程为 : 0 10 3+ ( 。+ 。 )一 云一 寺 ta 1一 t T l_ 一 0。 = 0 ( 1 o ) 一 吉 ta K 由 内 摩 擦 角 表 示: K= 为 保 证 屈 服 1 8 6 四川建筑科学研究 第 3 9卷 面外凸, 0 7 7 8 1 。 1 5 土体边界 地基无限边界的处理是有限元求解动力问题的 重要步骤 , 本文 引入粘 滞边界 。 引, 通 过在人工边 界上设置一系列的阻尼器来 吸收向外辐射 的波动能 量 , 在假想 的边界处人为的施 加两个方 向的粘滞分 布力
20、 , 模拟波动 的透射过程 。一般情况下选取与频 率无关的阻尼力: C =A 1 p v ; C =A 2 p v ( 1 1 ) 式中C 和 C 分别为沿法 向边界和切向边界作用 的粘滞力 ; A , 和 4 : 为人工边界节点 截面面积; p为 介质密度; t , u 。 为纵波和横波传播速度。 2 基本参数 2 1 地震波选用 按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于两 组的实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲 线 , 其平均地震影响系数 曲线应与振型分解反应谱 法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符 , 如图 4所示 ; 地震波见表 1 。 图 4 地震影响 系数 曲线 F i
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- 关 键 词:
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