地基与上部结构相互作用数值模拟.pdfVIP

王 新等：地基与上部结构相互作用数值模拟 ll3 地基与上部结构相互作用数值模拟 王 新 ， 章家林 (1．上海城市建设设计研究总院。 上海 200125；2．上海港湾软地基处理工程(集团J有限公司． 上海 200092J 【摘 要】 主要以某六层框架结构为工程背景，采用有限元软件对其地震作用下的动力响应进行数值模拟， 探讨完全刚性地基 、碎石土地基以及黏性土地基上结构位移场和加速度场的变化规律。研究结果表明，地基对地 震加速度具有明显放大作用，地基剪切波速及弹性模量越小，放大作用越明显，地震过程中结构振动频率越高，从 而震害越大。因此，对于抗震设防烈度高的软土地区上部结构设计宜考虑结构与地基的相互作用。 【关键词】 地震；地基一结构；相互作用；数值模拟 【中图分类号】TU44 【文献标识码】B 【文章编号】 1001—6864(2012)09—0013—02 地基一结构相互作用是指在地震作用下地震波在地基 刚性地基则对应于常见的纯框架动力响应研究。 中传播引起地基振动并引起结构响应，结构响应又反过来 表 1 地基土特性 ·】 影响地基振动的一种相互作用…，这项研究工作产生于20 世纪。由于计算效率较低 ，这种分析方法最初只应用于核 电站或近海工业等重要建筑结构 ，验算其抗震稳定性，对于 一 般的框架结构设计采用拟静力方法 】。 目前 ，国内外学者对纯框架结构在水平地震作用下的 动力响应已做了不少研究，取得了很大进步。然而，对考虑 地基与结构相互作用时结构动力响应的研究还很有限”】。 数值分析中框架结构采用程序内置的Beam单元建模 本文主要以某一六层框架结构为工程背景，采用有 限元软 实现。由于地震作用下动荷载是高速的，会引起地基和结 件对其地震作用下的动力响应进行数值模拟，探讨完全刚 构的小应变变形，其动态刚度 比静态刚度要大 的多，因此 性地基 (无地基一结构相互作用)、碎石土地基以及黏性土 Beam单元和地基实体单元均假定为弹性材料 J。混凝土 地基上框架结构位移场和加速度场的变化规律，为考虑结 弹性模量为30MPa，泊松比为0．3。碎石土地基和黏性土地 构一地基相互作用时框架结构的设计提供依据。 基的参数如表 1所示。 1 数值模型 (2) 几何模型。对于完全刚性地基 ，在地震作用下地 (1) 研究对象。本文研究对象为一地上6层、地下 1 基中每一点都具有相同的位移、速度以及加速度，底层框架 层的混凝土框架结构 ，层高3m，地上高 18m，地下3m，沿地 柱端节点完全嵌固于地基顶面，竖向、水平向和转动 自由度 震作用方向共3跨，每跨跨度为4m。楼板和墙体的总重简 被约束，其效应相当于对柱端节点施加带有水平地震加速 化为5kN／m 的均布荷载 ，作用于每层框架梁上 】。 度的刚性约束，建立的有限元数值模型如图1(a)所示。对 本文主要分析地基种类对地震作用下地基 一结构相互 于碎石土地基和黏性土地基，在地震荷载下地基土中不同 作用的影响。研究选取碎石土和黏性土地基，并与完全刚 点的位移、速度以及加速度时程均不相同，因此数值模型中 性地基进行比较。碎石土地基和粘性土地基剪切波速和动 必须包含地基土，从而考虑地基一结构相互作用，建立的有 弹性模量有显著差异 ，是建筑地基中很有代表的两类，完全 限元网格如图1(b)所示。 ： j ：： 。1一iT—r丁i‘ I： n‘j‘ —Ir