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填充墻豎向不規則布置RC框架結構考慮SSI效應的MPA分析

作者:未知

   摘   要:通過周期等效原則提出了考慮土-結構相互作用(SSI)的模態Pushover 分析方法(MPA),并驗證了此方法的可行性. 以一10層填充墻豎向不規則布置的RC框架結構為研究對象,調整層剛度比和“薄弱層”布置位置,運用本文方法分析該類結構在不同場地和設防烈度條件下的地震響應規律. 結果表明:1)罕遇地震時,在“薄弱層最敏感樓層”設置“薄弱層”會使薄弱層效應更加顯著,且隨層剛度比增大該結構的層間位移角增大;“薄弱層敏感區域”外樓層的填充墻不規則布置不會使結構形成明顯的薄弱層. 2)考慮SSI效應時,填充墻豎向不規則布置的RC框架結構的變形向底部樓層集中更加明顯,隨著場地土變軟,結構倒塌時的層間剛度比降低,因此結構設計時需要更加嚴格控制層剛度比來確保該類結構在地震作用下的延性.
  關鍵詞:動力分析;土-結構相互作用;填充墻;RC框架結構;模態靜力推覆分析
  中圖分類號:TU375.4;P315.92                 文獻標志碼:A
   Abstract:A modal pushover analysis (MPA) method based on the soil-structure interaction(SSI) was proposed through the principle of periodic equivalence, and the feasibility of this method was verified. Taking a 10-story RC frame structure with vertical irregular filling walls as the research object, we adjust the stiffness ratio between stories and the layout position of “weak stories”,and use this method to analyze the seismic response regular pattern of this kind of structure under the condition of different sites and seismic precautionary intensity. The results indicate that: 1)In strong earthquakes, setting up “weak layer” in “the most sensitive layer of weak layer” makes the effect of weak layer more significant, and the greater the ratio of stiffness between layers,the more adverse the displacement angle between layers of RC frame structure. Irregular arrangement of filled walls in the outer floor of "sensitive area of weak layer" makes the structure form the distinct weak layer. 2)With regard to SSI effect, the deformation of RC frame structure with filled wall concentrates more obviously to the bottom floor, and the stiffness ratio between layers decreases when the structure collapses and the site soil becomes soft. Therefore,it is proposed to control the stiffness ratio between stories more strictly to ensure the ductility of such structures under earthquake effect.
  Key words:dynamic analysis(MPA);soil-structure interaction(SSA);infill wall;RC frame structure;modal pushover aralysis
  靜力彈塑性(Pushover)方法由于其概念簡潔、操作簡便和計算高效的特點,在實際工程中得到廣泛應用. Chopra等[1]從結構動力學基本原理出發,考慮高階振型和結構屈服后慣性力重分布對結構地震反應的影響,提出概念簡單、運算簡潔的模態Pushover方法,提高了計算精度. MPA方法能夠確定結構在罕遇地震下潛在的破壞機制,找到相應的薄弱環節,從而使設計者可以對局部薄弱環節進行加強,使整體結構達到預定的使用功能,在實際工程中得到廣泛應用.
  黃華等[2]通過對29個框架填充墻模型進行地震分析,指出隨著薄弱層的位置不同,填充墻對框架抗側移剛度的參與率不同,同時提出了采用截面面積比來評定薄弱層的經驗方法. 劉舉[3]指出對于底層為空框架的RC框架填充墻結構,考慮SSI和填充墻剛度效應的結構倒塌時變形主要集中在結構的底部兩層,致使框架結構的耗能能力明顯減弱,表現出類似薄弱層的效應. Daniele等[4]從不同角度研究填充墻對結構周期響應的影響,分析不同高度的結構模型,提出了一個新的線性結構周期響應規律. Konstantinos等[5]通過對比純框架、框架填充墻結構在連續地震作用下的地震響應,發現框架填充墻結構地震響應會更大. 黃靚等[6]通過對比帶節能砌體填充墻的RC框架與純框架的試驗結果,指出填充墻的存在使得框架結構的強度和剛度退化加快,但卻表現出較強的抗倒塌能力.   傳統的模態Pushover分析方法(MPA)是建立在剛性地基假定條件下的,當需要考慮SSI效應時,傳統的MPA不再適用. Galal等[7]指出在考慮SSI效應時結構的抗震需求與剛性地基假定時存在明顯差異. Rajeev等[8]指出高層結構進入非線性狀態時,結構變柔,SSI效應的影響更加顯著. 岳慶霞等[9]指出考慮SSI效應結構變柔,結構的頂層位移增加,抗倒塌能力降低. 王海東等[10]指出地震作用下考慮重力二階效應與SSI效應之后,塑性鉸主要集中在結構的底部樓層,變形集中效應明顯.
  本文通過周期等效原則,提出考慮SSI的MPA方法,并對其進行驗證. 以一10層帶豎向不規則填充墻的RC框架結構為研究對象,調整層間剛度比和“薄弱層”的布置位置,運用此方法分析該類結構在不同場地和設防烈度條件下的地震響應規律,為帶填充墻的RC框架設計提供參考.
  1   考慮SSI效應的MPA方法研究
  傳統模態Pushover分析方法(MPA)通過將多自由度結構等效成多個不耦連的等效單自由度體系,并求解這些等效單自由度體系的最大變形Dn來計算結構的反應[1].
  然而,傳統MPA方法是建立在剛性地基假定下的,并未考慮SSI效應. 下面給出考慮SSI效應的MPA方法,并對此方法進行簡單的驗證.
  1.1   彈性階段考慮SSI效應的MPA基本原理
  本文依據ATC40和FEMA440中的簡化方法,采用土彈簧模型來模擬土對結構的作用,即通過在基礎上施加水平、豎直以及繞軸方向的彈簧來模擬地基土對基礎的約束,3個彈簧對應剛度Kx、Kz和Kθy具體計算方法參照文獻[3].
  1.3   考慮SSI效應的MPA方法的驗證分析
  1.3.1   模型介紹
  本文采用與文獻[3]相同的計算模型,為10層RC框架結構,跨度為5 m,底層層高3.9 m,其他層層高3.6 m,圖2所示為其平、立面圖,表1列出了梁、柱基本設計參數,圖3給出了梁柱截面配筋圖. 柱的混凝土強度等級為C40,梁、板的混凝土強度等級為C35,鋼筋采用HRB400,縱筋配筋情況見表1,梁箍筋直徑10 mm,間距150 mm,板厚100 mm,鋼筋混凝土自重為25 kN/m3. 在模擬分析中,選擇中間一榀框架進行分析,混凝土本構模型選用Mander模型,鋼筋本構模型選用Park模型;梁柱均使用集中塑性鉸模型,在距離梁端分別為0.1和0.9倍梁長處布置考慮彎矩的M3鉸;在距離柱端分別為0.1倍和0.9倍柱長處布置考慮軸力與彎矩相互作用的P-M2-M3耦合鉸.
  為方便表述,在后文中以本節介紹的模型為基礎,剛性地基假定條件下,不考慮填充墻剛度效應的模型簡稱模型M;考慮SSI(三類場地土)時,不考慮填充墻剛度效應的模型簡稱模型 N.
  1.3.2   SSI效應的實現
  本文采用柱下獨立基礎,基礎尺寸4 m × 4 m,厚度為1 m,埋深為1.8 m,采用ATC40和FEMA440推薦的土彈簧模型來模擬地基對結構的作用. 土彈簧簡化模型選用ATC40中的簡化模型,如圖3所示;土彈簧簡化模型的部分剛度計算公式如表2所示;不同場地土體的具體參數如表3所示.
  1.3.3   填充墻的實現
  本文研究填充墻對框架結構整體的影響,采用對角受壓斜撐有限元模型來模擬填充墻[12],其具體簡化模型如圖4所示.
   剛度和屈服力均只與填充墻的彈性模量和物理尺寸有關,故本文通過不斷調整Em的大小來改變填充墻的剛度和強度,得到不同大小的層間剛度比,以此來模擬不同種類填充墻對于結構抗震性能的影響.
  1.3.4   驗證結果
  本文對上述考慮SSI效應的MPA可行性進行驗證:在設防烈度7度條件下,對RC框架填充墻結構 (在模型N的基礎上在2~10層加入填充墻,調整 值使一二層剛度比為1.4)分別進行考慮SSI效應(Ⅲ類土)的MPA分析和時程分析,各階模態參數如表4所示.
   考慮到時程分析的不確定性,結構的地震響應與場地土特征、結構自身特性以及地震動輸入選取有關,因此必須保證地震波選取的合理性. Northbridge、San Fernando和Northbridge 3條地震波的反應譜均值與設計反應譜在統計意義上相符[3],因此選用這3條地震波進行時程分析,結果采用3條地震波作用下的平均結果來討論. 多遇地震和罕遇地震下結構的層間位移角分布如圖5所示,表5給出了時程分析與考慮SSI的MPA對比分析得到的結構層間位移角誤差.
   從圖5和表5可看出,多遇地震作用下,結構最大層間位移角誤差為4.50%;罕遇地震作用下,結構最大層間位移角誤差為9.56%. 說明在結構處于彈性狀態與彈塑性狀態時,考慮SSI的MPA分析結果與時程分析結果基本一致,此簡化方法可行.
  2   層間剛度比對填充墻框架結構響應的影響分析
  2.1   反應譜分析
  反應譜分析方法通過振型分解的方法計算結構在彈性階段的動力響應,為了說明彈性狀態下結構響應規律,本文對模型M、N進行反應譜分析. 圖6、圖7給出了其中模型M、N的層間位移角,表6列出了反應譜分析下不同模型的最大層間位移角.
  本文研究填充墻不均勻分布對結構抗震性能的影響,若某一層沒有布置填充墻而其他層均布滿填充墻,則將沒有布置填充墻的這一層定義為“薄弱層”. 為了方便研究結構進入彈塑性狀態時薄弱層的位置對結構地震響應的影響,根據文獻[3]將反應譜分析中層間位移角超過最大層間位移角75%的樓層區域稱為“薄弱層敏感區域”,以模型M為例,即2~6層區域;將反應譜分析中層間位移角最大的樓層稱為“薄弱層最敏感樓層”,以模型M為例,即第3層,如圖6、圖7所示.   下文將根據“薄弱層”布置位置與“薄弱層最敏感樓層”的關系在罕遇地震烈度下進行層剛度比對結構響應的影響分析,分3種工況展開:
  工況1:考慮SSI效應,“薄弱層”布置位置與“薄弱層最敏感樓層”相同;
  工況2:考慮SSI效應,“薄弱層”布置位置與“薄弱層敏感區域”不同.
  工況3:剛性地基假定下,“薄弱層”布置位置與“薄弱層最敏感樓層”相同.
  2.2   工況1結構響應分析
  模型N的“薄弱層最敏感樓層”在第1層,故將“薄弱層”布置在第1層,通過不斷調整填充墻剛度來調整層剛度比,對不同層剛度比結構模型進行MPA分析. 層間剛度比變化范圍為1.0~2.0,變化率為0.1,直到最大層間位移角超過1/50.
  本節選擇考慮SSI效應(三類場地土)和填充墻剛度效應的結構模型來研究“薄弱層”位于底層時“薄弱層”與其上一層的層剛度比對結構響應的影響.
  圖8、圖9、圖10分別給出了設防烈度為7度、8度、9度時各樓層層間位移角分布.
  圖11給出了在不同地震烈度條件下將“薄弱層”設置在“薄弱層最敏感樓層”時最大層間位移角達到文獻[14]規定的罕遇地震下彈塑性層間位移角限值1/50時對應的層間剛度比. 對比分析圖8、圖9、圖10以及圖11可知:
  1)同一設防烈度下,結構的最大層間位移角均出現在結構“薄弱層”處,且“薄弱層”處的層間位移角隨層剛度比增大變大,變形向“薄弱層”處集中. 非“薄弱層”樓層的層間位移角則隨層剛比增大變小.
  2)不同設防烈度下,7度設防,層剛度比為1.9時結構最大層間位移角超過1/50;8度設防,層剛度比為1.5時結構最大層間位移角超過1/50;9度設防,層剛度比為1.0時結構最大層間位移角超過1/50. 這表明在考慮SSI效應后,結構達到彈塑性層間位移角限值時對應的層間剛度比隨設防烈度增高變小.
   3)文獻[14]規定RC框架結構層剛度比不得小于0.7,即層剛度比不得大于1.429,如圖9所示. 8度設防在Ⅳ類場地上、9度設防在Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類場地上,結構在層間位移角超限時相應的層間剛度比均小于1.429,說明在考慮SSI效應和填充墻豎向不規則布置后,層剛度比小于1.429(即大于0.7)不一定安全. 且同一設防烈度下,場地土越軟,層間位移角超限的層剛度比越低.
  2.3   工況2結構響應分析
  模型N的“薄弱層敏感區域”在1層,現將“薄弱層”布置在第2層,通過不斷調整填充墻剛度來調整層剛度比對結構模型進行MPA分析,研究薄弱層布置在非“薄弱層敏感區域”時層剛度比對結構響應的影響. 層間剛度比變化范圍為1.0~2.0,變化率為0.1,直到最大層間位移角超過1/50.
  本節選擇考慮SSI效應(三類場地土)和填充墻剛度效應的結構模型來研究“薄弱層”位于2層時“薄弱層”與其上一層的層剛度比對結構響應的影響.
  圖12給出了9度設防各樓層層間位移角分布.
  通過圖表分析可知:
  1)當層剛度比等于1.0即結構為沒有填充墻的裸框架時,最大層間位移角超過1/50;當加入填充墻且層剛度比在1.1~2.0范圍變化時,結構層間位移角沒有超過1/50,且隨層剛度比增大,結構的響應趨勢逐漸減小,填充墻對限制結構層間位移角存在明顯有利的影響. 這表明在“薄弱層敏感區域”以外的樓層布置“薄弱層”不會使結構形成明顯的薄弱層.
  2)當“薄弱層”與“薄弱層最敏感樓層”不是同一樓層時,隨層間剛度比值增大,最大層間位移角所在的樓層會逐漸由“薄弱層最敏感樓層”向“薄弱層”過渡. 建議設計人員注重對這些過渡樓層的層間位移角評估.
  2.4   工況3結構響應分析
  模型M的薄弱層最敏感樓層在第3層,故將“薄弱層”布置在第3層,通過不斷調整填充墻剛度來調整層剛度比對結構模型進行MPA分析. 層間剛度比變化范圍為1.0~2.0,變化率為0.1,直到最大層間位移角超過1/50.
  本節選擇剛接狀態下考慮填充墻剛度效應的結構模型來研究將“薄弱層”布置在第3層時層間剛度比對結構響應的影響,因第2層和第4層側向剛度相同,故取第2層分析.
  圖13、圖14、圖15分別給出了設防烈度為7度、8度、9度時各樓層層間位移角分布. 表7給出了第2、3層間位移角變化幅度.
  通過分析圖13、圖14、圖15和表7可知:
  1)同一設防烈度下,結構“薄弱層”處的層間位移角分布會出現凸起,且層剛度比越大凸起程度越大,這樣的凸起主要是由于“薄弱層”處出現剛度突變,地震作用下變形向“薄弱層”處集中,對結構造成明顯的不利影響. 非“薄弱層”樓層的層間位移角則隨層剛比增大變小.
   2)不同設防烈度下,7度設防,層剛度比在1.0~2.0區間變化時結構最大層間位移角均未超過1/50,滿足我國現行規范中“大震不倒”的要求;8度設防,層剛度比大于等于2.0時結構最大層間位移角超過1/50;9度設防,層剛度比大于等于1.5時結構最大層間位移角超過1/50. 結構達到彈塑性層間位移角限值時對應的層間剛度比隨設防烈度增高變小.
  2.5   框架梁柱及填充墻的破環情況
  圖16和圖17給出了罕遇地震設防烈度8度,層間剛度比1.4,“薄弱層”與“薄弱層最敏感樓層”位置相同時,結構前三階模態梁柱塑性鉸分布及填充墻非線性發展情況. 從圖中可以看出,主體結構的塑性鉸和進入非線性狀態的填充墻主要分布在“薄弱層”附近. 填充墻的非線性發展程度和破壞程度要高于梁柱構件,在結構抗震中起到了第一道防線的作用.
  對比工況1、工況2和工況3的分析可知:當“薄弱層”與“薄弱層最敏感樓層”位置相同時,層剛度比的增大會放大“薄弱層”層間位移角,使“薄弱層”更薄弱,對結構造成明顯的不利影響;當“薄弱層”與“薄弱層最敏感樓層”位置不同時,隨層剛比增大,“薄弱層”層間位移角增加不明顯,不會形成明顯的薄弱層效應.   3   結   論
  根據上述研究得出如下結論:
  1)本文通過周期等效原則提出了考慮SSI的MPA方法,并驗證了此方法的可行性.
  2)大震時,采用MPA分析,在“薄弱層最敏感樓層”設置“薄弱層”會使薄弱層效應更顯著,且層間剛度比越大對RC框架結構的層間位移角響應越不利.
  3)大震時,采用考慮SSI效應的MPA分析,將“薄弱層”設置在底層,結構的變形明顯向底層集中,且隨場地土變軟,使結構層間位移角超限的層間剛度比變小,因此結構設計時建議控制層間剛度比來確保該類結構在地震作用下的延性.
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轉載注明來源:http://wymall.net/4/view-15279371.htm

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