考虑土-结构相互作用的超高层结构地震非线性分析

目前,对于超高层结构进行动力弹塑性分析时,大多采用刚性地基假定,并忽略土-结构相互作用的影响。为了研究土-结构相互作用对超高层结构的影响,建立精细化的土体-地下室-上部结构三维非线性有限元模型,并对一栋高度366 m超高层塔楼进行了罕遇地震动力弹塑性分析。首先根据工程场地条件进行了一维等效线性化分析,以获取土层的地震反应。然后,利用波动法解决了在三维土层地震波动输入的问题,并验证了所采用方法的准确性。计算结果表明：与刚性地基假定相比,考虑土-结构相互作用会增加塔楼的自振周期;在预估的罕遇地震作用下,考虑土-结构相互作用后,塔楼的整体地震反应减小;塔楼层间位移角在低区增大,在高区减小,高区最大层间位移角减小,呈现变形向底部转移的趋势;塔楼高区墙体损伤减轻,结构整体刚度退化程度减小,同时基底剪力和倾覆弯矩降低;塔楼巨柱个别位置的内力增大,忽略土-结构相互作用的影响可能会导致设计结果偏于不安全;所提出的方法能够全面考虑场地土的影响,较为真实地模拟超高层结构的地震响应。     

考虑共同作用时基础厚度改变对基础沉降和内力的影响

利用有限元软件ANSYS14.0建立框架结构-桩筏基础-地基共同作用的整体有限元分析模型。通过改变筏板厚度研究考虑共同作用后筏板沉降和筏板内力变化规律。计算结果表明:随着筏板厚度增加,筏板最大沉降量、最大沉降量增量及整个基础的平均沉降量也随之增加;筏板差异沉降和差异沉降量增量随筏板厚度增加而减小。随着筏板厚度增加,筏板刚度随之增加,弯曲变形减弱,最大拉压应力也随之减小。     

考虑不同桩长影响的变电站配电楼地震反应分析

从变电站桩基-筏板-配电楼结构耦合体系出发,采用PLAXIS 3D建立桩筏基础-地基-上部结构三维有限元整体模型,其中,土体非线性力学行为采用考虑小应变特性的双曲线型弹塑性(HSS)模型模拟,动力计算中采用自由场边界(模型四周)和柔性底部边界(模型底部)来模拟无限地基。通过整体模型动力时程分析,研究了3条典型地震波及其不同加速度峰值情况下长桩和短桩设计方案对应的上部结构及桩筏基础动力响应特性。结果表明：变电站配电楼虽然层数较低,在地震作用下楼顶仍然表现出一定的放大效应;考虑结构后的地表水平加速度峰值总体上高于自由场地的情况,距结构30m范围内地表水平加速度反应相对较大;桩长在一定范围内变化对上部结构的振动响应影响不大;上部结构的水平加速度峰值随输入地震动加速度峰值增加而增大,地下室底板中部弯矩极值对地震动加速度峰值及不同地震波波形均不敏感。     

综合体结构地震失效与影响因素分析

综合体结构集地上多塔、裙房、大空间地下结构于一体,结构规模大、连接部位多,地震作用下结构耦联效应和土-结构相互作用突出。为明确此类结构地震损伤及失效机理,以典型双塔综合体为例,分别选取近场脉冲型和远场型地震动为输入,进行增量动力分析与易损性分析,研究了结构薄弱部位、失效机制和损伤演化规律,并对比分析结构影响因素和地震动特性对结构失效影响。结果表明：裙房及大空间地下结构产生的嵌固作用对结构损伤、失效影响显著;受侧向刚度突变影响,地上与地下交界处、裙房与塔楼交界处是结构薄弱部位;塔楼耦联特性对减少整体结构地震响应有利,考虑土体影响后,塔楼耦联效应增强,结构位移和加速度响应的最大减小幅度超过30%;地上地下耦联特性对地上结构地震响应的影响随地震强度增加呈现先减小后增大的变化,综合体地上结构受地下结构影响,加速度响应增幅最高达90%以上;结构动力响应受地震动特性影响,同强度近场脉冲地震作用下的结构变形和损伤情况大于远场地震作用的,近场脉冲地震动易使结构发生裙房底部失效破坏,远场地震动易使结构发生塔楼底部失效破坏。     

输电塔架的动力特性分析

雪灾会对电力设施造成巨大的破坏。通过采用ANSYS程序对输电塔架进行动力特性的分析,以考虑不同的裹冰厚度对塔架动力特性的影响。分析结果表明：塔架的自振频率随裹冰厚度增加而减小,特别是当裹冰厚度达到50～60mm时,减小幅度在30％以上。塔架动力特性的变化必将对结构的地震、风栽的动力响应产生较大的影响,为以后的动力响应研究,如在地震、风载作用下的动力响应打下基础。     

短扶壁对干式矩形泵房外墙受力性能影响的研究

为研究短扶壁对干式矩形泵房外墙受力性能的影响,本文通过对悬臂外墙模型和8种不同墙厚短扶壁模型的计算结果进行对比分析,得出:在下部走道板下设置短扶壁能大幅减小外墙底部的弯矩,外墙厚度越小,减小的幅度越大;短扶壁模型下部走道板边缘纵向拉力随外墙厚的增加而减小;短扶壁根部的剪力随着外墙厚度的减小呈线性递增趋势。与悬臂式外墙方案相比,在下部走道板下设置短扶壁的结构方案能显著减小外墙根部弯矩,具有显著的经济效益。     

黄土地基超高层桩筏基础变刚度调平设计

西安飞机公司运营及研发设计中心为黄土地基上的大底盘超高层建筑,塔楼、裙房和地下室连为一体不设缝。针对工程土质地基、摩擦桩型、超高层带裙房等特点,桩筏基础设计时采用以控制沉降变形为目的、以共同工作分析为手段的变刚度调平设计方法,使反力与荷载分布相协调,有效地减小基础沉降差、降低筏板内力及上部结构次应力、减小筏板厚度及配筋;采用合理的基床刚度系数,使变形计算结果接近工程实际;钻孔灌注桩采用后注浆工艺,有利于提高单桩承载力及控制沉降。     

浅埋交叉隧道地震动力响应及减震措施研究

运用ADINA软件中的Newmark直接积分法和Mohr－Coulomb弹塑性模型,计算了交叉隧道运行期,在不同地震动波和不同方向地震激励作用下,隧道顶部不同覆土厚度时动力响应规律;分析了衬砌厚度变化对隧道地震反应的影响。计算结果表明:垂直于隧道轴线方向的地震波对隧道结构影响最大,对于立体交叉隧道最大位移、最大加速度一般发生在上部隧道顶板中间位置处,而最大主压应力一般出现在隧道顶板与边墙连接处,这些部位是结构安全的关键点,设计时应重点关注;随着隧道顶部覆土厚度的增加结构相对位移、加速度和应力都有所增加,且位移和应力变化比加速度大,当覆土厚度增加到一定程度时,响应将基本趋于稳定;随着衬砌厚度的增加结构最大相对位移和应力逐渐减小,而加速度将逐渐增大,但减小和增大幅值随衬砌厚度增加而越来越小。     

多年冻土区场地地震动随机特性研究

利用随机振动理论和动力分析的有限元方法,对青藏铁路多年冻土区场地进行了随机地震反应分析,分析了多年冻土区场地随机地震特性,研究了冻土层厚度的变化对场地随机地震特性的影响,获得了场地卓越频率及地震响应峰值。研究结果表明,随着冻土层厚度的增加,场地卓越频率呈增大趋势,但变化不大,场地地震反应呈减小趋势。     

考虑双塔共同作用的高层建筑抗震性能分析

多塔楼高层建筑能够将建筑功能最大化,是现代化城市中的重要组成部分,在地震作用下,各塔楼会产生相互作用,因此其受力特性比单塔楼高层建筑更加复杂。以典型的双塔超高层建筑——银川绿地中心为研究对象,选取了嵌固端设置在地下室顶板的单塔模型、嵌固端设置在地下室底板的单塔模型和考虑双塔相互作用的双塔楼模型,采用模态分析和动力弹塑性时程分析,讨论了双塔共同作用对其抗震性能的影响。分析结果表明:嵌固端设置在地下室顶板的单塔模型会高估结构的自振频率;嵌固端设置在地下室底板的单塔模型会明显低估结构的层间位移角、地震剪力以及地震损伤等地震响应,该结论可为进一步完善双塔高层建筑的抗震设计方法提供参考。     

双塔楼大底盘高层建筑-基础-地基地震动力相互作用分析

采用三维有限元方法建立了双塔楼大底盘高层建筑-厚筏基础-地基相互作用体系的动力分析模型,通过同比例增减某一参数的取值,分析了结构抗侧刚度、混凝土强度、楼板厚度和地基土刚度对双塔楼结构振动特性和地震响应的影响。结构抗侧刚度对结构动力响应的影响较大,地基土刚度和楼板厚度变化的影响次之。同时,通过与刚性基底假定的分析结果进行对比可知,土-结构之间的动力相互作用对结构动力响应的影响不容忽视。     

双塔楼大底盘地下建筑地震土压力分析

建立了双塔楼大底盘土-结构动力相互作用的三维有限元分析模型,采用地震时程反应分析方法确定作用于多塔楼大底盘结构地下建筑的地震土压力.通过改变地下室周边框架结构的外挑跨数和塔楼间裙房部分的框架跨数,计算了不同地下窒平面布置和刚度分布对地震土压力分布特征的影响.结果表明地下结构地震土压力在地表处具有最大值,且远大于其他埋深处的地震土压力数值,地下室外挑跨数和塔楼间裙房跨数对地下结构抗侧力刚度及地震土压力分布均有影响.最后,给出了一些结论和建议.     

双塔连体超高层建筑结构连接方案比较

本文探讨了连体超高层建筑刚性连接与柔性连接两种结构方案。基于计算结果和现有阻尼器技术,指出柔性方案减震效果主要在于释放连体和塔楼之间水平约束,并指出柔性方案设计目前未解决好的关键技术问题是动力弹塑性分析。综合比较各方案优缺点后,选择了刚性连接方案。     

Mechanism and optimum design of shared tuned mass damper for twin‐tower structures connected at the top by an isolated corridor

The concept of shared tuned mass damper (STMD) for twin towers linked by a sky corridor using flexible joints is proposed in this paper. The analytical expressions of the transform functions and random earthquake responses of the flexibly connected structures are derived using a three‐degrees‐of‐freedom model system. The seismic reduction mechanism of the STMD is revealed using comparative analysis between the structures with STMD and those connected using a viscoelastic damper. The effect of the nondimensional parameters such as the frequency ratio of the two primary structures, mass ratio, tuning frequency ratio of the corridor, and damping ratio of the passive control devices on the structural seismic response is investigated. Optimum parametric analysis is performed using the principle of minimizing the displacements of both towers, and the optimal parameter formulas are established. Numerical analysis is conducted to verify the control effectiveness of the connected multi‐degree‐of‐freedom system subjected to the El Centro earthquake ground motion. The results show that the earthquake responses of the towers can be effectively reduced if the parameters of the flexible connecting elements are appropriately selected for a certain corridor mass. Moreover, a remarkable seismic reduction effect can be achieved if the towers have similar dynamic properties.     

行波效应对双塔楼结构抗震设计的影响

以北京LG大厦为例,讨论了双塔结构多维地震动的行波激励效应对结构抗震设计值的影响。首先进行了结构静力荷载作用下的反应分析,并与结构在一致激励下的地震反应相组合,得到一致地震作用下结构抗震设计值;然后进行结构行波输入下的地震反应分析,将其与静力反应组合得到行波地震激励下结构抗震设计值。考察在一致输入和行波输入下得出的抗震设计值之间的差异,分析了不同的地震激励方式对结构抗震设计值的影响。     

地下结构地震反应的主要特征及规律

目前,有关地下结构地震反应特征的一些重要的规律性认识仍然缺乏严格的理论推断或认识欠深入。文章基于地下结构地震反应的二维动力有限元数值分析模型,定量分析了场地土、结构以及土-结构体系的动力特性和土-结构柔度比对地下结构地震反应的影响。结果表明,对于地下结构而言,土-结构体系的动力特性主要受控于场地土的动力特性,地下结构地震反应主要取决于场地土的动力特性或基岩地震运动引起的场地土的体积惯性力和土-结构柔度比;结构顶底板水平最大相对位移、关键构件截面弯矩随着土-结构柔度比分别单调减小和增大,结构关键构件截面的剪力、轴力值和土-结构接触面的最大平均剪力系数随着土-结构柔度比的增大变化较复杂。     

Dynamics of axisymmetric hyperbolic shell structures

Shell structures have many applications including cooling towers, liquid-retaining structures and roofs where large uninterrupted space is required. These structures are aesthetically pleasing, make efficient use of construction materials and can economically meet design criteria. A number of serious failures of shell structures during the last century has led to significant research into their behaviour, analysis, design and construction. Despite this, further research is still required to improve design, especially with respect to shell dynamics. While some research on free vibration has been carried out, very little or none has been documented to date on the response to earthquake loading. In earlier research carried out by the authors, it has been shown that the hyperbolic shape is very efficient for use as an axisymmetric shell. In view of this and other existing information, this paper treats the free vibration and seismic response of hyperbolic shells, and examines the influence of thickness, height and curvature on this response. It is found that the period of vibration decreases approximately linearly with increasing curvature, but at high curvatures this trend reverses. The early periods of the circumferential mode of vibration are also found to vary linearly with changes of height and thickness, with increasing thickness reducing the period and increasing height increasing the period. The response of the first lateral mode is also significantly affected by a change in the parameters. Transient earthquake analysis shows that height is the most important factor governing the dynamic response. However, significant changes in hoop and meridional stresses are also observed for structures with different shell thickness and curvature. Analysis has been undertaken using the finite element method, and results are presented in tabular and graphical format.     

Nonlinear seismic response of reinforced‐concrete free‐standing towers with application to TV towers on flexible foundations

Reinforced‐concrete (R/C) free‐standing towers such as TV towers are often analysed using elastic analyses as fixed‐base cantilever beams, ignoring the effect of soil–structure interaction. To take the capacity of structures after yielding into account, most designers usually prefer to decrease the peak values of the elastic response spectrum for the maximum credible earthquake (MCE) anticipated at the site by a factor called the ductility capacity factor, which varies with the design earthquake level and the structural characteristics of the structure neglecting the effect of supporting soil. To investigate the effect of foundation flexibility on the response of R/C free‐standing towers deforming into their inelastic range during intense ground shaking, a linear sway‐rocking model is applied in numerical modelling of the soil–structure system. The effect of concrete cracking and reinforcement yielding on the elements used in the structure modelling is taken into account by introducing a nonlinear model for R/C frame elements using the moment–curvature (M–?) relation. A method called pseudo‐dynamic analysis is presented to quantify the inelastic seismic response spectrum of a soil–R/C free‐standing system using response spectrum analysis method and push‐over analysis technique. The earthquake responses of cracked and uncracked systems for a practical TV tower and a practical range of soil shear wave velocity are calculated and compared with the objective of understanding how soil–structure interaction influences structural responses. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.     

钢塔斜拉桥地震反应特性分析

针对一个实际钢塔斜拉桥工程,采用有限元软件SAP2000进行了动力特性和地震反应分析,并以主塔为混凝土塔的苏通大桥作为参照,对斜拉桥的动力特性、主塔地震反应和抗震性能等进行了比较分析。结果表明:相对于混凝土塔,钢桥塔的刚度和质量较小,轴压比略大,斜拉桥纵飘和主塔侧弯振型周期较长,主塔重力几何刚度对桥梁动力特性的影响较大,从而显著增大了塔顶及主梁的纵向地震位移,但对主塔及其基础的地震内力影响较小。钢塔斜拉桥的抗震性能较好,在7度地震区,地震作用不会控制钢塔及其基础的结构设计。     

滑移隔震结构考虑土-结构动力相互作用的动力分析

介绍了考虑土 结构动力相互作用的滑移隔震结构的动力分析方法。应用正交多项式系逼近连续型基底摩擦力函数 ,实现了基底摩擦力的傅立叶变换 ;然后利用地基土动力刚度矩阵 ,在频域内采用子结构法 ,建立了考虑土 结构动力相互作用的滑移隔震结构的运动方程 ;通过数值仿真两个具有埋置刚性基础的剪切型滑移隔震结构的地震反应 ,分析了土 结构动力相互作用对滑移隔震结构地震反应的影响 ,以及上部结构刚度的不同引起相互作用影响程度的差异 ,从而得出结论 :考虑土 结构动力相互作用 ,会降低滑移隔震结构的隔震效果 ,其降低程度与上部结构的刚度成正比 ;能显著地减小隔震层的侧移 ,有利于地震时穿越隔震层的电路和管线等设备的保护。