近断层地震下层间隔震结构非结构构件动力响应研究

发布时间：2020-10-29 07:48

　　 在历次地震发生时,非结构构件损坏造成的经济损失和次生灾害不容忽视,特别是高精密仪器,医疗器械,煤气管线等。目前研究人员对非隔震结构和层间隔震结构等主体结构的地震动响应研究较多,而对耦合非结构构件的层间隔震结构地震动响应研究较少。本文对近断层地震动作用下层间隔震结构与非结构构件的地震动响应做了研究。本文通过对层间振动台缩尺模型试验进行有限元模拟,验证有限元建模分析精度,据此建立5种原型结构模型。进行100条近断层地震波作用下,5种结构模型,共计500种工况的有限元模拟分析,得出非隔震结构和隔震结构的楼层反应谱。在非隔震结构和隔震结构上放置耦合于楼板的非结构构件,进行3条近断层地震波下,5种主体结构模型,5种不同质量、4种不同刚度的非结构构件,共计135种工况的有限元模拟,得到主结构和非结构构件的地震动响应。主要结论如下:(1)结构设置隔震层,屋面加速度反应谱峰值明显降低,隔震层位置越低,谱峰值减小效果越好,最大谱峰值出现的周期接近于结构的基本自振周期。结构设置隔震层增大屋面位移反应谱峰值,谱峰值随隔震层位置的上移而减小,第一次位移谱峰值出现的周期更接近于结构模型的基本自振周期。在近断层地震波断层距小、有脉冲、脉冲周期与结构基本自振周期接近时屋面反应谱值有明显增大。(2)用时程分析法和楼层反应谱法计算隔震结构中非结构构件地震动响应,楼层反应谱法计算非结构构件的加速度放大系数大于时程分析法计算所得加速度放大系数,隔震层下部两种计算方法所得加速度放大系数相差较大,隔震层上部加速度放大系数相差较小。楼层反应谱法计算所得位移放大系数大于时程分析法计算所得位移放大系数,隔震层上部结构的位移放大系数相差较大,隔震层下部结构的位移放大系数相差较小。(3)对耦合非结构构件的层间隔震结构进行有限元模拟并与未耦合非结构构件的层间隔震结构进行对比分析,分析发现主次耦合的隔震结构层间位移增大,楼板加速度减小。非结构构件质量越大、刚度越小,主体结构和非结构构件相互作用效应越强,主体结构的层间位移角越大,楼板加速度越小。非结构构件质量和刚度的变化对隔震结构的隔震层下部层间位移和楼板加速度影响较大,对隔震层上部层间位移角和楼板加速度影响较小。(4)对耦合于主体结构的非结构构件相对位移进行对比分析,主体结构不变,非结构构件的质量越大,刚度越小,非结构构件的相对位移越大。非结构构件的相对位移在隔震层上部改变较小,在隔震层下部改变较大。对非结构构件的加速度放大系数进行对比分析,主体结构不变,非结构构件的质量越大,刚度越小,非结构构件加速度放大系数越大。非结构构件加速度放大系数在隔震层以上改变较小,在隔震层以下改变较大。
【学位单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TU352.12
【部分图文】：

第1章绪论2动，根据地震灾害统计，建筑物距离地震断层较近时与较远时比较建筑物主体结构的破坏程度和附属结构的破坏程度明显增加[7]。近断层地震动的区域并没有严格的定义，但是大多数的研究人员界定断层距在20km以内并强烈的依赖于断层破裂机制的地震动为近断层地震动，包括破裂效应的地震动和地面发生永久位移的地震动[8-11]。近断层地震动与普通地震动最明显的特征是富含长周期，大峰值的速度和位移脉冲，由于近断层地震动的特殊性，需要引入除震中距，震源距等常规描述外，还需引入描述观测点到断层面距离的定义[12,13]，如图1-1所示。jbR:断层距（在地面上观测点到断层在地表的投影的最短距离）。upR:观测点到断层破裂面的最短距离。soisR:观测点到发震断层面的最短距离。hy,poR震源距(观测点到断层面的初始破裂点的距离)。图1-1断层距离定义示意图Fig.1-1Definitionofdifferentfaultdistances1.2.2近断层地震动基本特征（1）滑冲效应滑冲效应近断层地震动主要表现形式，当地震断层上下两盘产生相对运动，断层两边的地面出现了不可恢复的位移。在时程曲线中有特殊表现，含有滑冲效应的地震动位移时程有台阶状的改变，速度时程出现半个单方向脉冲，这也是含有滑冲效应地震动的显著特点[14]。具体位移时程和速度时程的表现形式如图1-2所示。陈之毅，熊求正等[15]挑选不同种类的近场地震动和选场地震动，对四层的地铁站进

第1章绪论4向性效应地震波对短周期结构影响比滑冲效应地震波对短周期结构影响大，滑冲效应对长周期结构的影响比向前方向性效应对长周期结构的影响大。李爽[26]、李新乐[27]等，研究发现向前方向性效应脉冲地震波表现出明显的特性，就地震动本身表现的位移、速度和加速度而言，位移的变化最大，加速度的变化最小，因此可以将PGV与PGA的大比值作为区分方向性效应脉冲地震波的特点之一。图1-3方向性效应地震波示意图Fig1-3.Schematicdiagramofdirectionaleffectseismicwaves(3)上下盘效应上下盘效应也是近断层地震动另一重要特征，近断层地震动的上下盘效应指的是：地震能量释放导致地面永久上下错动，产生一个地层断面，断面与地面的夹角若大于90°则为下盘，若小于90°则为上盘[28]。上下盘的位置关系如图1-4所示，R1和R2为上盘和下盘的断层距，上盘的断层距明显要大于下盘的断层距。断层距是影响地震动强度的很大一个因素，因此位于上盘的地震动强度要比位于下盘的地震动强度大得多，这就是近断层地震动的上下盘效应[29-30]。这也就说明就同一地震而言，上盘衰减速度比下盘衰减速度慢[19]。王栋[28]等对我国台湾集集地震和美国北岭地震采集到的上下盘效应近断层地震动的频谱特性和位移、速度、加速度时程进行分析。研究表明：具有上盘效应的近断层地震动，其位移峰值，加速度峰值，速度峰值要大于周边的近断层地震动峰值。具有上盘效应的近断层地震动反应谱值，在较多的周期内要大于相同断层距下近断层地震动的反应谱。汪大洋[33]等研究上下盘效应的近断层地震动对短周期结构与长周期结构的影响，研究发现，上盘效应地震动对短周期结构动力响应影响较大，下盘效应对长周期结构动力响应影响较大。Abrahamson[34]等对美国北岭地震选取近断层地震

第1章绪论5值明显放大。图1-4上下盘效应示意图Fig1-4Schematicdiagramoftheupperandlowerdiskeffects1.3层间隔震结构研究现状1.3.1层间隔震结构应用传统的隔震方式为基础隔震，是在主体结构和基础之间设置隔震层，适用于结构规则，有功能性需求的新建建筑。而对于一些平面不规则的建筑，需要加固的既有建筑，大底盘多塔楼结构，地基下地质复杂的结构，受到海水侵蚀结构等特殊形式的结构，这些结构使用基础隔震具有很大的局限性。层间隔震具有方便施工，便于管线维修更换，不需要预留基础位移空间等优势，层间隔震适用性更广[36]。随着层间隔震技术的逐渐推广，在国外和国内已经有很多建筑采用层间隔震技术，在日本层间隔震技术应用较多，有60余栋楼采用了层间隔震。东京的Sumitomo大厦在11层与12层设置隔震层[38]。藏野市防灾安全中心在既有两层的钢筋混凝土结构之上设置隔震层，隔震层上部增加五层钢筋混凝土框架结构，经过核算该层间隔震结构在大震时能满足使用要求[39]。HuMing、SiHongjun等对日本东京地区的一座九层结构进行加固，该结构形式特殊4层以下为型钢混凝土，4层以上为钢筋混凝土结构，加固方案为在四层柱顶设置隔震层进行隔震加固[40-41]。国内也有层间隔震应用实例，宿迁市银座商场，该建筑由地上4层的大底盘结构和底盘之上的16层塔楼结构组合而成，隔震层设置在大底盘和塔楼之间。我国台湾大学的土木系大楼共九层，采用一层隔震结构体系，在一层柱顶设置隔震层。1.3.2层间隔震结构研究现状层间隔震结构在世界和我国的实际项目中没有大规模的应用，研究人员现在对层间隔震结构的研究主要以理论研究、有限元模拟、振动台试验为主。研究人员就层间隔震结构做了理论分析和有限元软件模拟，得到一些具有指导意义
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本文编号：2860600