刚性摇摆体非线性地震响应规律研究

发布时间：2020-08-01 13:19

【摘要】：基于承载力的设计理念地震响应研究已经非常成熟,但是随着近20年来世界上强震频发,研究人员发现传统理念存在局限性。在大地震作用下,结构不可能不出现塑性铰、基础提离等非线性行为,因此有学者提出了“摇摆隔震”的理论。与传统方法不同的是摇摆隔震理念不再过度强化结构构件来避免结构在大地震作用下产生非线性行为,允许结构发生摇摆、基础提离、塑性铰以及地基土的塑性变形等非线性行为,并充分利用这些非线性行为来消耗地震的能量,减小地震荷载对上部结构的影响。这一理念被越来越多的学者认可、重视和研究,基础提离对结构地震响应的影响成为抗震研究的热点。本文首先设计固定刚性柱、无滑移刚性摇摆柱、有滑移刚性摇摆柱、软土地基刚性摇摆柱和砂土地基刚性摇摆柱5种试验,施加不同类型和幅值的地震荷载。分析试验结果,初步探究了摇摆结构地震响应的基本规律。其次,通过对比分析,探讨了地震荷载类型和幅值、基础提离、滑移和地基土特性对试件水平向和竖向动力响应规律的影响,具体对比为:固定刚性柱与无滑移刚性摇摆柱试验、无滑移刚性摇摆柱与有滑移刚性摇摆柱试验、有滑移刚性摇摆柱和柔性地基上刚性摇摆柱试验,软土地基与砂土地基试验等。本文经过一系列的试验和数值模拟分析,得出基础提离、滑移和地基土特性对摇摆结构地震响应的影响规律。主要体现在以下几个方面:(1)在中小地震作用下,基础提离、滑移会减小摇摆结构体系上部结构动力响应。(2)在遇到较大地震作用,发生基础提离和滑移时,结构动力响应会明显增大,但发生滑移时结构顶部竖向动力响应会减小。(3)柔性地基可以减小结构动力响应,其中砂土地基对水平向动力响应影响较大,而软土地基对竖向动力响应影响较大。最后,在试验研究的基础上,采用接触单元法对试验进行模拟,建立考虑基础提离和滑移影响的计算方法。对比试验和数值模拟结果,验证计算方法的可行性,在此基础上探讨摇摆结构地震响应规律。根据数值模拟结果与试验数据的对比表明:接触面单元法可以在一定程度上模拟接触面的非线性特性,但无法考虑接触时的冲击效应,可以初步应用于摇摆体的地震响应分析。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU352.1
【图文】：

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在水平荷载作用下很容易倒塌，但却能在希腊强震地区保存下来。研究表明：强震时柱底发生的基础滑移和提离是他们能够保存下来的关键因素。图1-1 古希腊阿波罗神庙柱子1960 年智利地震震后调查发现，很多高尔夫球座式立架水塔安全无恙，而另一些比较稳固的钢筋混凝土结构反而发生较为严重的破坏。国外著名学者Housner[2]对这一现象研究指出某些看似不稳定的结构发生基础提离反而可以很好地减轻地震破坏，并提出了刚体摇摆理论和刚性摇摆模型，Housner 也被公认为第一个明确提出基础提离与结构地震响应有关的科学家。这也标志着对地震作用下基础提离研究分析的开始，随后大量学者对地震作用下的基础提离和

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[6]逐渐研究出来并投入使用。图1-2 摇摆隔震示意图尽管考虑结构非线性行为的地震响应研究已经很成熟，但相关研究仍在不断完善中。在理论和计算方法方面，无论是早期的刚性摇摆模型[2]、简化的 SR模型[7]还是现在的摇摆隔震模型都面临一个未解决的关键问题，即缺乏精确考虑结构摇摆过程中与地基土分离、再接触过程的非线性地震响应计算方法。在结构与地基土分离、再接触的过程中结构与地基土的接触面面积改变，产生随时间而不断发生“应力重分布”现象。在基础提离后，土-结构相互作用体系的阻尼、刚度发生改变，结构的刚度、阻尼、周期等属性随着基础提离改变而不断改变，是一个随?

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武汉理工大学硕士学位论文13图2-1 不可提离模型测点示意图（2）仅发生提离工况：在仅考虑结构基础发生提离时，认为结构基础与地基之间的摩擦力无穷大。具体试验时，需要考虑的重点在于上部结构与底部地基之间的接触面处理，实际试验中没有办法做到摩擦力无穷大，试验时采取的接触面处理方式是尽可能增大接触面的摩擦力以防止上部结构发生滑移，一般认为接触面摩擦系数大于 0.5 时便可认为不会发生滑移。在混凝土柱体底部和接触面底板上均贴上粗砂纸，增大接触面之间的摩擦力，消除滑移的影响。该试验中选用的砂纸为中型，采用弹簧拉力计法测量砂纸之间的摩擦系数，初步测得该试验所用中型砂纸之间静止摩擦系数为 0.66，动摩擦系数为 0.58

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