论文部分内容阅读
随着我国城市化水平不断地提高，为缓解交通压力各大城市相继建设了以地铁网络为动脉的城市地下交通系统，而地铁车站、地下商场等地下结构的存在会改变上部建筑原本的受力性能，在地震灾害作用下会造成比预期更加严重的损坏。因此，在进行上部建筑地震响应分析时考虑地下结构影响的是十分必要的。但地下结构和软土地基对上部结构地震响应的影响需根据具体的地震动特性、地基条件和上部结构形式等因素而定，在结构的抗震设计中很难正确考虑地下结构和软土地基的影响。而结构地震易损性分析作为一种基于概率的抗震性能评估方法，可以对结构在不同地基条件下超越各种破坏状态的概率进行预测，对于结构的抗震设计和地震危险性分析都具有重要的价值。本文通过振动台试验和有限元模拟，研究了地下结构和软土地基对钢框架结构地震易损性的影响。
本文首先基于有限元分析软件ABAQUS子程序的二次开发实现了土体的等效黏弹性线性动力本构模型，并用M A T L A B调用Python语言优化了本构的迭代计算、实现了计算数据自动化处理，在此基础上添加Benchmark钢框架和地铁车站建立了地下结构-软土地基-钢框架结构共同工作有限元分析模型。
使用地下结构-软土地基-钢框架结构有限元模型进行了动力参数化分析，探宄了在不同软土地基刚度、钢框架层数和地下结构与上部结构水平距离下软土地基和地下结构对钢框架结构地震响应的影响，参数化分析结果表明：（1) 软土地基会对地震波有过滤和放大作用，其对地表处地震波的影响效果需视具体的地震波和软土地基的刚度而定，当土体剪切波速由100m/s增加至400m/s时，地震波峰值加速度的最大放大幅度由80%以上减小至10%以内；（2)地下结构的存在会在结构界面对地震波有散射和反射作用，在相同地震动激励下，地下结构对地表的峰值加速度有10%左右的放大效果； （3) 考虑地下结构和软土地基影响后，上部钢框架结构的最大层间位移的变化与地震波的种类、上部钢框架结构的刚度、软土地基的刚度和上下部结构间的水平距离等因素密切相关。
采用EL-Centro波、K o b e波及Taft波三条地震波，分别对三种地基条件下缩尺比例为1:10的六层和十层钢框架结构开展了从小到大多种地震波幅值激励的振动台试验。振动台试验结果表明：（1)当地震波加速度峰值由小到大变化时，土体表层加速度放大倍数逐渐变小，呈现“小震变大，大震变小”的规律；（2) 考虑地下结构影响后土体表面的加速度放大系数变化不同：在EL-Centro波和Taft波激励下加速度峰值有小幅的增加，在10%左右；而在Kobe波激励下则没有明显的变化规律；（2) 软土地基条件下钢框架结构的层间位移大于刚性地基下钢框架结构的层间位移，最多增加可达80%以上；( 3 )考虑地下结构影响后，EL-Centro波和Taft波激励下十层钢框架结构的最大层间位移较无地下结构时有明显增加，在15%左右，而Kobe波激励下则无明显变化规律；(4) 本文建立的有限元分析模型可以正确反映地下结构和软土地基对上部钢框架地震响应的影响。
基于已验证的有限元分析模型选取了 5 条地震动记录对三种地基条件下的钢框架结构进行了增量动力分析，得到了不同地基条件下钢框架结构的IDA曲线和地震概率需求模型；最后利用地震概率需求模型获得了不同地基条件下钢框架结构的地震易损性曲线。易损性分析结果表明： （1) 考虑软土地基的影响后钢框架结构的动力反应会增大，倒塌储备系数减小22.5%，结构的抗倒塌能力降低；（2 ) 相对于有地下结构存在的软土地基上钢框架结构，软土地基条件下的钢框架结构倒塌储备系数大7%，说明考虑地下结构的影响会削弱结构的抗倒塌能力； （3) 在综合考虑地震动记录差异性的情况下，软土地基对结构地震响应的影响大于地下结构对结构地震响应的影响。
本文首先基于有限元分析软件ABAQUS子程序的二次开发实现了土体的等效黏弹性线性动力本构模型，并用M A T L A B调用Python语言优化了本构的迭代计算、实现了计算数据自动化处理，在此基础上添加Benchmark钢框架和地铁车站建立了地下结构-软土地基-钢框架结构共同工作有限元分析模型。
使用地下结构-软土地基-钢框架结构有限元模型进行了动力参数化分析，探宄了在不同软土地基刚度、钢框架层数和地下结构与上部结构水平距离下软土地基和地下结构对钢框架结构地震响应的影响，参数化分析结果表明：（1) 软土地基会对地震波有过滤和放大作用，其对地表处地震波的影响效果需视具体的地震波和软土地基的刚度而定，当土体剪切波速由100m/s增加至400m/s时，地震波峰值加速度的最大放大幅度由80%以上减小至10%以内；（2)地下结构的存在会在结构界面对地震波有散射和反射作用，在相同地震动激励下，地下结构对地表的峰值加速度有10%左右的放大效果； （3) 考虑地下结构和软土地基影响后，上部钢框架结构的最大层间位移的变化与地震波的种类、上部钢框架结构的刚度、软土地基的刚度和上下部结构间的水平距离等因素密切相关。
采用EL-Centro波、K o b e波及Taft波三条地震波，分别对三种地基条件下缩尺比例为1:10的六层和十层钢框架结构开展了从小到大多种地震波幅值激励的振动台试验。振动台试验结果表明：（1)当地震波加速度峰值由小到大变化时，土体表层加速度放大倍数逐渐变小，呈现“小震变大，大震变小”的规律；（2) 考虑地下结构影响后土体表面的加速度放大系数变化不同：在EL-Centro波和Taft波激励下加速度峰值有小幅的增加，在10%左右；而在Kobe波激励下则没有明显的变化规律；（2) 软土地基条件下钢框架结构的层间位移大于刚性地基下钢框架结构的层间位移，最多增加可达80%以上；( 3 )考虑地下结构影响后，EL-Centro波和Taft波激励下十层钢框架结构的最大层间位移较无地下结构时有明显增加，在15%左右，而Kobe波激励下则无明显变化规律；(4) 本文建立的有限元分析模型可以正确反映地下结构和软土地基对上部钢框架地震响应的影响。
基于已验证的有限元分析模型选取了 5 条地震动记录对三种地基条件下的钢框架结构进行了增量动力分析，得到了不同地基条件下钢框架结构的IDA曲线和地震概率需求模型；最后利用地震概率需求模型获得了不同地基条件下钢框架结构的地震易损性曲线。易损性分析结果表明： （1) 考虑软土地基的影响后钢框架结构的动力反应会增大，倒塌储备系数减小22.5%，结构的抗倒塌能力降低；（2 ) 相对于有地下结构存在的软土地基上钢框架结构，软土地基条件下的钢框架结构倒塌储备系数大7%，说明考虑地下结构的影响会削弱结构的抗倒塌能力； （3) 在综合考虑地震动记录差异性的情况下，软土地基对结构地震响应的影响大于地下结构对结构地震响应的影响。