基于振动台试验的超高层建筑对液化地基动力响应影响的研究

以某实际工程为背景,根据相似关系设计超高层建筑及其液化地基模型,进行振动台试验。将液化地基自由场振动台试验与超高层建筑-液化地基相互作用体系振动台试验的结果进行对比分析,从液化地基的加速度响应及其傅氏谱、地基位移响应的角度入手,研究超高层建筑对液化地基动力响应的影响。研究结果表明:超高层建筑的存在使液化地基的加速度响应峰值降低、响应时间滞后;超高层建筑使液化地基振动的高频成分减少、低频成分增加,使傅氏谱的幅值减小,说明超高层建筑显著改变了液化地基的动力响应特性;"相互作用试验"中液化地基位移峰值大于"自由场试验"中的峰值,可能是上部结构与地基之间共振所致;工程设计中选取地基时应考虑超高层建筑结构对地基动力特性的影响。     

变截面桩基础体系高层建筑结构的地震响应

基于振动台模型试验,采用大型软件MARC进行了数值仿真试验,再现了在地震作用下桩基–结构相互作用体系的动力响应。研究结果表明:基础类型变化对高层建筑结构产生的变形影响较大,桩基–结构相互作用体系中上部结构的最大层间剪力和倾覆力矩等都比刚性地基上结构体系的要小,桩基–结构体系中相当一部分地震能量通过支盘扩散到土层中,减小了上部结构的变形能。而刚性地基上结构体系中相当一部分的地震能量则转化为上部结构的变形能,导致结构损伤较大。同时,振动台试验和数值仿真结果表明:支盘桩结构体系的阻尼能较大,能够有效地提高基础和结构体系的抗震和减震能力,降低上部结构在地震作用下的地震响应,对抵御地震、减少地震破坏具有十分重要的意义。     

中国古建筑木结构模型的振动台试验研究

通过一殿堂木结构 1∶3 5 2模型的模拟地震振动台试验 ,研究了结构动力特性及地震反应的变化规律。将榫卯和斗拱的力学模型比拟为变刚度弹簧单元 ,进行了动力时程分析。结果表明 ,由于大震下柱底与础石的滑移和榫卯与斗拱的摩擦阻尼作用 ,大幅度减少了上部结构的地震响应。因此 ,中国古建筑木结构具有良好的耗能与减震性能 ,它所蕴涵的受力机理 ,对现代建筑也有一定的借鉴作用。     

围护墙多功能减震结构振动台试验研究

为研究围护墙多功能减震结构的减震特性和减震效果,按1∶3缩比制作围护墙钢框架减震结构模型和非减震结构模型,并进行模拟地震振动台试验,研究不同工况下的模型结构动力特性及随着输入不同加速度峰值的El Centro地震波激励下的加速度反应和位移反应。结果表明:结构的自振频率和振型控制与调谐质量阻尼器的个数有关,减震结构对于控制结构的加速度和位移响应非常有效,顶层的减震幅度最大,并在地震波为4 m/s2时,减震效果最佳。通过减震指标动力放大系数和减震率共同评价减震结构对加速度反应和位移反应的控制,说明减震结构对位移的控制效果更优。     

桩–土–斜拉桥动力相互作用体系振动反应特性试验研究

大跨斜拉桥结构自振频率和阻尼较低,其地震响应可能受桩基础和场地土特性的影响较大,然而目前为止,由于试验条件和技术所限,尚缺乏相关的包括桩基础、场地土和上部结构在内的全模型振动台试验研究。以一座试设计的主跨1400 m超大跨斜拉桥为原型,设计并完成了一座几何相似比为1/70,且包括群桩、人工土和上部结构在内的试验模型,采用多点振动台试验技术,研究了不同加速度峰值和不同频率成分地震作用下桩–土–斜拉桥动力相互作用体系的振动反应特性。试验结果表明:桩–土–结构相互作用对斜拉桥地震响应产生影响,其影响程度与地震输入频谱特性密切相关;在纵向一致激励下,桩–土–结构相互作用受地震动加速度峰值的影响不明显,在横向一致激励下,桩–土–结构相互作用随地震动加速度峰值的增大而减小;主塔高阶振型对其地震响应的贡献明显;地震输入频谱特性影响桩–土–斜拉桥动力相互作用体系的地震响应,特别是在具有丰富长周期成分的Mexico City波作用下主梁竖向地震响应显著增大。     

大跨隔震结构竖向地震响应的振动台试验研究

为研究大跨隔震结构竖向地震响应,首先对一大跨网架隔震结构1∶20的缩尺模型进行了振动台试验,对比研究隔震前后模型的动力特性及其在双向和三向地震动输入下的加速度及位移等动力反应,进而对大跨隔震结构的网架和一般楼层(首层和转换层)的竖向减震效果进行了分析。结果表明大跨隔震结构的网架在双向地震和三向地震输入下都具有非常明显的水平减震效果,且减震率大于一般楼层;大跨隔震结构的一般楼层基本没有竖向减震效果,而在输入地震强度比较小的情况下网架竖向加速度基本没有减小,甚至稍有放大,但随着输入地震强度的增加,网架的竖向加速度减震率逐渐提高;对于网架的竖向位移响应,基础隔震模型在罕遇地震下有较明显的减震效果。最后建立了相应大跨隔震结构与非隔震结构的有限元分析模型,并对隔震支座进行参数优化,结果表明屈重比取4%~6%时,大跨网架隔震结构具有较小的基底剪力。     

非对称剪力墙-筒体超高层结构的振动台试验研究

为了研究复杂体型高层建筑结构在地震作用下的动力特性与反应,对一个1:50比例的非对称剪力墙-双筒体复式超高层住宅模型进行了振动台模拟地震试验.根据试验结果,通过相似关系得到原型结构在地震作用下的动力特性与反应,与有限元分析结果进行了比较,指出了结构的薄弱部位,并对结构设计提出了若干建议.     

远场长周期地震动下桩-土-层间隔震结构振动台试验研究

软土地基条件下土-结构相互作用(SSI)效应会对隔震结构的减震效果及动力特性产生影响。远场长周期地震动使隔震建筑这类长周期结构地震响应强烈,考虑SSI效应后地震响应可能更大。开展软土地基上层间隔震结构模型振动台试验研究,对比分析远场长周期和普通地震动下隔震层和隔震结构的楼层加速度和位移响应,研究远场长周期地震动下桩-土-层间隔震结构动力响应规律及减震效果。结果表明：软土地基具有明显的滤波效应,抑制高频分量,放大中低频分量;普通地震动下层间隔震结构的减震效果较显著,随着输入加速度峰值增大,减震效果降低,而远场长周期地震动下的层间隔震结构的减震效果比普通地震动下的差;基础及隔震层的转动效应明显,隔震层对基础转动有一定放大效应,远场长周期地震动下的隔震结构的放大效应较普通地震动下的明显,并对隔震层位移反应的影响较大。     

土–桩–隔震结构动力相互作用体系振动反应特性试验研究

软夹层地基条件必将会对隔震结构的隔震效率及其动力反应特性产生一定的影响。鉴于此,基于软夹层地基上基础隔震结构地震反应的振动台模型试验结果,对比分析了不同频谱特性和不同强度地震动作用下软夹层地基、基础隔震层和隔震结构的振动加速度反应特征,初步给出了软夹层地基上土–桩–隔震结构动力相互作用体系的振动反应特性及其规律。结果表明,试验设置的模型地基基本上能够反映软夹层地基的地震反应特性。同时,输入地震动频谱特性及其强度对软夹层地基上基础隔震层的隔震效率及其隔震结构的动力反应规律都具有明显的影响,造成上述影响的主要原因应为软夹层地基明显改变了输入地震动的频谱特性和强度,起到了天然隔震的作用,其具体影响规律和影响程度还需做进一步的深入研究。     

Shaking table test of super high-rise structure on liquefied ground

为了研究液化地基上超高层结构在地震作用下的动力特性和动力响应,设计了液化场地超高层结构模型,并对其进行振动台试验。分析了超高层结构的自振频率、阻尼比、振型、加速度响应、位移反应、结构顶层加速度响应组成和地基孔隙水压力。结果表明：随着加速度峰值的增大,结构的自振频率下降,阻尼比增大;由于结构刚度变化不大,结构振型曲线的形状变化不明显;结构的动力响应不仅与输入地震波的加速度峰值有关,还与地震波的频谱特性有关;结构顶层的加速度反应主要由结构弹塑性变形加速度分量组成,其次是基础转动引起的摆动加速度分量和平动加速度分量;当地震波加速度到达第1个峰值时,砂土层的超孔隙水压力存在负值。     

相互作用体系中桩基的动力响应

率先在国内开展了对一种新型变截面桩-土-高层建筑结构体系动力相互作用的试验研究。通过振动台模型试验,观察了桩-土-结构体系动力相互作用的现象,验证和掌握了新型桩体与结构的震害特点。根据试验测定的数据,研究了支盘桩-高层建筑结构体系的动力特性和地震反应,重点分析了支盘桩的动力响应。通过计算和分析得出:桩-土接触压力时程曲线揭示了在地震动激励下桩-土之间存在着拉开和再接触的现象,表明支盘桩在动力相互作用过程中承受了拉、拔荷载,说明和证实了当基础具有较大的抗拉、抗拔和抗扭曲能力时,才能更好的发挥动力相互作用体系的抗震性能和减轻震灾;桩基两侧对应测点的应变时程曲线呈反向关系,表明在地震作用下,相同时间内桩基一侧受拔,另一侧受压,解释了地震区房屋产生倾斜、倾倒震害现象的根本原因。     

支盘桩–土–高层建筑结构振动台试验的研究

 设计和实施支盘桩–土–高层建筑结构动力相互作用体系的振动台试验,再现框架结构和桩基的震害现象。通过振动台试验,研究相互作用体系的地震响应、支盘桩对结构体系的阻抗作用和单、双跨框架结构抗震性能的差异,对该体系的试验现象、基频、阻尼比、振型、位移反应和上部结构顶层加速度反应进行了计算和分析。结果表明：相互作用对结构的动力特性和地震反应均有较大的影响,支盘桩具有较好的抗压、抗拔和抗扭曲作用;相同工况时上海人工波激励下的结构最大位移反应比El Centro波大,说明结构的破坏除与震级有关外,还与地震波的波形有关;双跨框架结构的抗震性能明显好于单跨,并与汶川地震中很多单跨教学楼倒塌的现象一致。研究结果对抗震设计和防灾减灾具有重要的研究意义。     

砂卵石土地基-筏板-巨型框架结构动力相互作用研究

以砂卵石土动力特性三轴试验为基础,结合结构与地基动力相互作用理论,利用通用有限元软件ANSYS,模拟分析了砂卵石土地基-筏板-巨型框架结构体系在地震作用下地震反应的主要规律：由于动力相互作用的影响,砂卵石土地基中相互作用体系的频率小于不考虑结构-地基相互作用的频率;基础存在平动和转动,致使相互体系与刚性地基上结构体系的顶层位移最大值和加速度有明显不同,地基土传递地震作用具有放大或减振的作用,这与地基土的性质、激励大小等因素有关,砂卵石土地基一般具有减振的作用,致使上部结构接受的地震能量较少,各层反应均较小;同时,基础的刚度对上部结构的地震反应也有明显影响.     

偏心框剪结构地震作用下弹塑性扭转反应分析

为考察实际偏心框剪结构在地震作用下的扭转反应规律,按规范设计一组具有不同偏心率的实际框剪三维偏心结构算例,采用精细有限元模型进行不同地震水准下的多波非线性动力时程分析,对比其层间位移角、扭转角、塑性铰分布、延性系数等弹塑性地震反应。结果表明,位移比控制在高规要求的1.4限值内时,位移反应可满足规范的性能要求;刚性边构件的延性需求比柔性边大2倍～3倍;刚性地基假定下框剪结构的刚性边剪力墙构件底部在人工波大震输入时延性需求过大,应引起重视。     

上部结构刚度改变对桩-土-杆系结构动力相互作用的影响

采用改进的Penzien模型 ,利用研制开发的桩 -土 -杆系结构动力相互作用分析程序DIPSFSA ,对带支撑和不带支撑的钢框架均按刚性基础和考虑桩土参与作用两种情况进行地震反应分析 ,研究上部结构刚度改变对桩 -土 -结构动力相互作用的影响。结果表明 ,在Ⅲ、Ⅳ类场地土条件下 ,无论上部结构是否加设支撑 ,桩土参与共同工作对上部结构地震反应均有不容忽视的影响 ,且上部结构相对于地基的刚度越大 ,桩 -土 -上部结构之间的共同工作效果越明显。从而说明 ,软土地基上结构刚度越大 ,结构不一定越安全。     

SSI效应对隔震结构的地震响应及损伤影响分析

基于弹性地基梁理论和波动理论计算群桩-土地基对上部结构的动力阻抗,进而研究桩土-结构动力相互作用对高层隔震结构地震响应及非线性损伤的影响。首先计算桩周地基水平刚度系数,采用改良的Penzien模型将群桩等效为单桩,考虑一定桩长范围计算桩头的水平刚度,同时根据结构振动频率与地基基本频率的大小关系,考虑地基材料阻尼和辐射阻尼的影响。以某高层隔震工程为例,根据实际桩布置及土层分布情况计算地基阻抗,利用等效线性化模型对结构进行反应谱分析,计算结构隔震前后SSI效应对其动力响应的影响,再利用三维非线性损伤模型分析SSI效应对结构主要构件损伤的影响。计算结果表明,随着结构层数的增加,SSI效应的影响减小,考虑SSI效应会使隔震层位移和隔震支座面压利用率提高,而对隔震层上部结构的层间位移基本没有影响;考虑SSI效应后结构连梁的损伤减小,而框架柱和剪力墙这些竖向构件损伤增加;长周期地震动作用下结构的SSI效应更显著。     

超大型冷却塔考虑土-结构相互作用的三维有限元抗震分析

通过建立超大型冷却塔三维有限元模型,在考虑土一结构相互作用情况下,对超大型冷却塔结构进行动力特性分析,并与刚性地基的结果进行对比。用反应谱分析计算了单向地震的作用和效应,并采用双向地震与自重、风荷载、温度荷载工况进行了组合,得到了相应工况的内力和位移,为工程设计提供了参考。     

巨型框架振动台试验设计

巨型结构体系是适应高层及超高层建筑发展而出现的一种新型结构体系,但目前针对巨型框架结构的相关研究较少,为了较好地研究巨型框架结构的抗震性能,按照我国工程设计规范设计了一个55层39 m×36 m×201 m高超高层巨型钢筋混凝土框架结构(7度设防、Ⅱ类场地),以此作为振动台试验原型结构,设计制作1/25的缩尺整体结构模型进行振动台试验。主要介绍了该试验模型材料的选择、动力相关系数的设计及试验方案的设计,为今后相关类型的试验提供一定的参考。     

局域大空间复杂体型高层结构整体模型振动台试验研究

本文采用模拟地震振动台试验方法对局域大空间复杂体型高层结构的动力特性、地震反应规律和开裂破坏模式等进行了系统研究,重点分析了地震作用下结构的扭转振动反应及其空间分布规律。研究结果表明:局域大空间对结构的动力学特性具有显著的影响,扭转振型可能成为结构一阶振型;在地震作用下,结构动力反应较大,且具有明显的局域及整体扭转振动,结构局域大空间部位的局部扭转反应可能大于结构顶部的总体扭转反应,易造成大空间部位主要抗侧构件发生扭转破坏。对于此类复杂体型结构,必须采取有效措施增加结构局域大空间部位的抗侧抗扭刚度,以确保结构满足抗震设防要求。