考虑有限基础刚度的高层建筑结构性能研究与应用

发布时间：2018-03-12 07:28

  本文选题：高层建筑　切入点：基础刚度　出处：《哈尔滨工业大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：建筑结构的基础刚度是一种客观存在,其对上部结构的约束作用必然是有限的,理论上,高层建筑结构基础完全嵌固是不可能实现的。有限的基础刚度将影响整体结构侧移刚度及自振特性,改变建筑结构的长期工作性能;外荷载作用下,基础可能发生水平侧移、竖向沉降及转动变形,进而对上部结构的抗震性能及整体稳定性能产生影响,基础刚度效应关系到建筑物的正常使用和结构的安全。本质上,基础刚度效应属于地基-基础-上部结构共同工作研究范畴,国内外对该领域的研究可以追溯到二十世纪初,众多学者进行了多层次、多角度的科学研究工作,土与结构相互作用的重要性也逐渐被人们所认识,课题积累了大量的研究成果,朝着正确反映实际结构工作机理、工作状态,使结构设计更合理正确的方向取得了重大的进展。但是,由于共同工作课题牵扯的面广量大、十分复杂,其成果完整应用于实际工程结构设计尚待时日。目前,各国建筑结构设计规范和工程设计实践一般采用嵌固端或不动铰计算假定,忽略基础刚度对上部结构抗震、抗风及整体稳定性能的影响。针对高层建筑结构基础刚度效应进行系统的研究分析,提出结构设计基础刚度控制方法,解决工程实际问题,显得尤为迫切且具有重要的现实意义。本课题从基础刚度计算模拟入手,重点研究了有限基础刚度对高层建筑结构抗震性能及整体稳定性能的影响,此基础上,提出了结构设计基础刚度控制的理念及量化方法,研究成果对高层建筑结构设计具有重要的理论意义和工程应用价值。课题研究按照基础刚度计算模拟、基础刚度效应理论分析、有限元数值分析、试验对比分析、工程应用的顺序,循环渐进,层层深入。主要研究内容及成果阐述如下:在基础刚度计算模拟层面,汇总了美国规范、技术报告、学术论文相关研究成果,以土层平均有效剪切波速作为基础刚度计算的重要依据,提出了高层建筑动力基础刚度计算的基本流程。近似考虑地基应力扩散效应,提出了浅基础转动刚度改进模拟方法,实现了基础转动刚度与竖向刚度的完全耦合。开发了高层建筑基础刚度计算分析图形用户界面程序,实现了浅基础、桩基础、桩筏基础、地下室外墙等抗震动力基础刚度的程序求解,便于应用。在此基础上,开发了考虑基础刚度影响的高层建筑结构ABAQUS模型接口程序,提高了复杂结构模型的建模效率,适用于有限基础刚度高层建筑结构抗震性能分析。在理论分析层面,以剪切型、弯曲型及弯剪型结构为研究对象,建立了结构计算简图,推导了采用连续化方法求解高层建筑因基础变形引起的结构变形及其内力重分布的近似解析解,为定量、定性分析高层建筑结构基础刚度效应提供了理论依据。论述了基础平动、竖向及转动刚度对上部结构侧移刚度、内力分布和整体稳定等主要结构性能指标的影响规律,在此基础上,从控制结构侧刚退化、内力转移、整体稳定三个方面出发,提出了高层建筑结构设计基础转动刚度比限值要求,理念创新、概念重要、方法简明。在有限元数值分析层面,以典型钢筋混凝土框架和框架-剪力墙结构为研究对象,采用振型分解反应谱法和弹塑性动力时程分析方法,通过改变上部结构设计参数及土体剪切波速实现多参数分析,探讨了不同建筑场地类别基础刚度退化情况下上部结构的抗震性能,并将计算结果与基础嵌固情况进行分析对比。引入增量动力分析,探讨了基础刚度对结构弹性阶段直至倒塌全过程中能量耗散机制和内力分布规律的影响。在试验对比分析层面,进行了基础嵌固和有限基础刚度的大比例钢筋混凝土框架-剪力墙模型结构的静力推覆试验研究,考察了引入有限基础刚度前后结构的裂缝开展、屈服顺序、破坏机理及承载能力的变化。采用实体单元,实现了结构静力推覆试验的有限元仿真模拟,验证了结构有限元建模方法的正确性和分析结果的精确性。结合试验及有限元计算结果,初步提出了考虑基础刚度影响的框架-剪力墙结构抗震设计建议。本课题研究成果应用于国内某超高层建筑结构设计,基于自主开发的基础刚度计算分析及模型接口程序,实现了考虑基础刚度影响的超高层建筑结构抗震性能分析,揭示了基础转动刚度比限值要求对超高层建筑结构设计的重要意义,提高了该工程的结构安全储备。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU973.3
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本文编号：1600580