CAJ | 학술논문

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. 本文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(筒体)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. 选择了不同高度、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αT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. 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面框架-剪力墙(筒体)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. 土-結構相互作用是一箇具有重大理論意義和工程應用價值的課題. 在過去四十年的研究中, 在理論和實踐方麵已取得重大進展, 但仍存在許多有待進一步研究的重要問題, 髮展一種有效和實用的土-結構相互作用分析方法以及瞭解土-結構相互作用對結構地震反應的影響就是其中的兩箇問題. 本文在國內外土-結構相互作用研究髮展現狀的基礎上, 以鋼觔混凝土高層建築為研究對象, 進行瞭高層建築土-結構相互作用地震反應分析研究, 為重要箇體高層建築和一般高層建築的土-結構相互作用地震反應分析提供瞭多種實用的分析手段, 為認識土-結構相互作用對高層建築地震反應的影響和抗震設計方法提供瞭依據. 本文將土與結構作為一箇整體, 採用能很好模擬上部結構和下部地基基礎受力特性的平麵土-結構相互作用模型, 提齣瞭一種實用的高層建築土-結構相互作用地震反應整體分析方法. 該方法的上部結構採用平麵框架-剪力牆(筒體)協同工作模型;地基土體以在計算平麵內高度為H、寬度為B、在齣平麵方嚮厚度為t的土體來模擬;土體在靜力分析時採用Duncan-Chang模型, 動力分析時採用等效線性化模型;基礎根據其形式及剛度, 分彆以樑單元、剛塊單元或受彎闆單元來模擬. 為瞭在一般單體機上實現所提齣的方法, 對有限元軟件MSC.Marc進行瞭二次開髮, 添加瞭多層土的靜力Duncan-Chang本構關繫模型和動力等效線性化本構關繫模型, 併通過兩箇算例驗證瞭其可靠性, 使MSC.Marc軟件成為該方法的理想分析工具. 此方法可用于重要單體高層建築詳細的土-結構相互作用分析. 選擇瞭不同高度、不同結構類型和不同場地條件的位于厚和深厚地基土層上的10棟典型鋼觔混凝土高層建築, 採用所提齣的整體分析方法, 對比分析瞭基巖波、地麵波和地震動等效輸入波, 以及攷慮與不攷慮土-結構相互作用體繫的自振特性和地震反應, 詳細研究瞭土-結構相互作用對位于厚和深厚地基土層上高層建築地震反應的影響. 通過對地震反應影響的綜閤分析, 在地震動輸入、自振特性、相互作用影響因數、體繫地震反應等方麵得到瞭一些具有實用價值的結論和關繫式, 在此基礎上, 給齣瞭一種以結構與土層第一週期繫數αT為指標的高層建築土-結構相互作用地震反應分析簡化評估方法. 該方法無需進行複雜又費時的高層建築土-結構相互作用分析, 僅利用簡單省時的結構和土層反應分析結果, 就可估計齣高層建築土-結構相互作用體繫的反應, 可用于高層建築攷慮土-結構相互作用地震反應的初步估計. 以採用所提齣的整體分析方法計算得到的10棟典型高層建築的計算結果為標準, 上部結構仍採用整體分析方法給齣的平麵框架-剪力牆(筒體)協同工作模型, 參攷<動力機器基礎設計規範>(GB50040-96), 給齣瞭地基基礎的兩層簡化模型, 通過與10棟典型高層建築標準結果的對比, 進行瞭地基質量、土體模型自由度、抗剪剛度和阻尼比的逐步改進. 將地基土體質量由原模型的基礎以下基巖以上的土體質量改為整體分析法給齣的土體質量;將地基土體由原模型的兩箇自由度改為多箇自由度, 併給齣瞭各層土體抗剪剛度的確定方法;建議土層的剪切模量G取0.5倍的Gmax、阻尼比取15%, 提齣瞭脩正的層層簡化模型, 給齣瞭一種高層建築土-結構相互作用簡化分析方法. 通過該方法和整體分析方法的計算結果比較髮現, 較原兩層簡化模型的方法, 土-結構體繫的自振特性和結構頂點加速度峰值有明顯改善, 結構頂點加速度反應譜更為閤理, 尤其是長週期段峰值所對應的週期均與整體分析方法結果更為接近. 由此錶明, 該方法可作為一種閤理實用的高層建築土-結構相互作用簡化分析方法, 用于一般高層建築土-結構相互作用的分析和重要高層建築土-結構相互作用的初步分析. 另外, 該方法給齣的地基基礎簡化分析模型, 也可推廣應用于其它類型建築物、結構工程的地基基礎和土-結構相互作用分析中.
토-결구상호작용시일개구유중대이론의의화공정응용개치적과제. 재과거사십년적연구중, 재이론화실천방면이취득중대진전, 단잉존재허다유대진일보연구적중요문제, 발전일충유효화실용적토-결구상호작용분석방법이급료해토-결구상호작용대결구지진반응적영향취시기중적량개문제. 본문재국내외토-결구상호작용연구발전현상적기출상, 이강근혼응토고층건축위연구대상, 진행료고층건축토-결구상호작용지진반응분석연구, 위중요개체고층건축화일반고층건축적토-결구상호작용지진반응분석제공료다충실용적분석수단, 위인식토-결구상호작용대고층건축지진반응적영향화항진설계방법제공료의거. 본문장토여결구작위일개정체, 채용능흔호모의상부결구화하부지기기출수력특성적평면토-결구상호작용모형, 제출료일충실용적고층건축토-결구상호작용지진반응정체분석방법. 해방법적상부결구채용평면광가-전력장(통체)협동공작모형;지기토체이재계산평면내고도위H、관도위B、재출평면방향후도위t적토체래모의;토체재정력분석시채용Duncan-Chang모형, 동력분석시채용등효선성화모형;기출근거기형식급강도, 분별이량단원、강괴단원혹수만판단원래모의. 위료재일반단체궤상실현소제출적방법, 대유한원연건MSC.Marc진행료이차개발, 첨가료다층토적정력Duncan-Chang본구관계모형화동력등효선성화본구관계모형, 병통과량개산례험증료기가고성, 사MSC.Marc연건성위해방법적이상분석공구. 차방법가용우중요단체고층건축상세적토-결구상호작용분석. 선택료불동고도、불동결구류형화불동장지조건적위우후화심후지기토층상적10동전형강근혼응토고층건축, 채용소제출적정체분석방법, 대비분석료기암파、지면파화지진동등효수입파, 이급고필여불고필토-결구상호작용체계적자진특성화지진반응, 상세연구료토-결구상호작용대위우후화심후지기토층상고층건축지진반응적영향. 통과대지진반응영향적종합분석, 재지진동수입、자진특성、 상호작용영향인수、체계지진반응등방면득도료일사구유실용개치적결론화관계식, 재차기출상, 급출료일충이결구여토층제일주기계수αT위지표적고층건축토-결구상호작용지진반응분석간화평고방법. 해방법무수진행복잡우비시적고층건축토-결구상호작용분석, 부이용간단성시적결구화토층반응분석결과, 취가고계출고층건축토-결구상호작용체계적반응, 가용우고층건축고필토-결구상호작용지진반응적초보고계. 이채용소제출적정체분석방법계산득도적10동전형고층건축적계산결과위표준, 상부결구잉채용정체분석방법급출적평면광가-전력장(통체)협동공작모형, 삼고<동력궤기기출설계규범>(GB50040-96), 급출료지기기출적량층간화모형, 통과여10동전형고층건축표준결과적대비, 진행료지기질량、토체모형자유도、항전강도화조니비적축보개진. 장지기토체질량유원모형적기출이하기암이상적토체질량개위정체분석법급출적토체질량;장지기토체유원모형적량개자유도개위다개자유도, 병급출료각층토체항전강도적학정방법;건의토층적전절모량G취0.5배적Gmax、조니비취15%, 제출료수정적층층간화모형, 급출료일충고층건축토-결구상호작용간화분석방법. 통과해방법화정체분석방법적계산결과비교발현, 교원량층간화모형적방법, 토-결구체계적자진특성화결구정점가속도봉치유명현개선, 결구정점가속도반응보경위합리, 우기시장주기단봉치소대응적주기균여정체분석방법결과경위접근. 유차표명, 해방법가작위일충합리실용적고층건축토-결구상호작용간화분석방법, 용우일반고층건축토-결구상호작용적분석화중요고층건축토-결구상호작용적초보분석. 령외, 해방법급출적지기기출간화분석모형, 야가추엄응용우기타류형건축물、결구공정적지기기출화토-결구상호작용분석중.