软土场地下土与结构相互作用BRB混凝土框架抗震性能研究.pdf

1 8 4 四川建筑科学研究 S i c h u a n Bu i l d i n g S c i e n c e 第 3 9卷第 5期 2 0 1 3年 1 O月 软土场地下土与结构相互作用 B R B混凝土 框架抗震性能研究 王涛锋 ， 李春祥 ， 朱碧蕾。 ( 1 上海大学土木工程系， 上海2 0 0 0 7 2； 2 上海维固工程实业有限公司， 上海2 0 0 0 0 0 ； 3 同济大学建筑设计研究院， 上海2 0 0 0 7 2 ) 摘要： 国内外结构的抗震设计中均沿用刚性地基的假定， 这是为了简化抗震计算而作的近似， 在地震作用下上部 结构与其支承介质土壤之间存在着相互依赖、 相互影响的关系， 土一 结构相互作用( S o i l S t r u c t u r e I n t e r a c t i o n ) 是 影响结构地震响应和损伤的重要因素。屈曲约束支撑 B R B( B u c k i n g R e s t r a i n e d B r a c e ) 作为一种消能减震构件 ， 在 小震下作为普通支撑提供侧向刚度， 强震下作为一道抗震防线， 先于主要构件产生屈服变形耗散地震能量， 从而有 效地保护强震中主体结构免于损坏至关重要。本文分别选取原结构、 B R B结构和 S S I B R B结构三种体系， 分析罕 遇地震作用下结构体系的抗震性能， 考虑 S S I 效应时， B R B变形能力有明显的改善。B R B结构、 S S I B R B结构的耗 能能力提高。 关键词： 土 结构相互作用；屈曲约束支撑； 纤维模型； D P模型； 弹塑性分析 中图分类号： T U 3 1 1 4 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 51 8 4 0 5 S e i s mi c a n a l y s i s o f t he r e i n f o r c e d c o n c r e t e f Ir a me s t r u c t u r e c o n s i d e r i n g S O f t s o i l s t r u c t ur e i n t e r a c t i o n W_ANG T a o f e n g LI Ch u n x i a n g ZHU Bi l e i ( 1 D e p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， S h a n g h ai U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 7 2， C h i n a ； 2 S h ang h a i WE I G U E n gi n e e r i n g C o ， L t d ， S h a n g h a i 2 0 0 0 0 0 ， C h i n a ； 3 D e p a r t m e n t o f C i v i l E n gi n e e ri n g A r c h i t e c t u r a l D e s i g n I n s t i t u t e o f T o n g j i U n i v e rs i t y ， S h a n g h ai 2 0 0 0 7 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e s e i s m i c d e s i g n t h e s t ruc t u r e a s s u mp t i o n t h a t t h e b asi c i s ri gi d f o u n d a t i o n ， t h i s me t h o d w i l l s i m p l i f y t h e e a a h q u a k e - res i s t an t c alc u l a t i o n， h o w e v e r ， t h e rel a t i o n s h i p b e t w e e n s o i l a n d s t r u c t u r e rel y o n e a c h o t h e r mu t u a l an d i n flu e n c e t h e e ff e c t s o f e a rt h q u a k e and i t s s u p p o r t i n g me d i a ， s o i l s t ruc t u r e i n t e r a c t i o n i s a i mp o r t ant f a c t o r t o e a r t h q u a k e r e s p o n s e a n d d a ma g e o f t h e s t ruc t u r e B u c k i n g Re s t r a i n e d Br a c e i s a v i b r a t i o n s u p p r e s s i n g d e v i c e， i n s ma ll e a r t h q u a k e s a s o r d i n a r y b r a c e t o p r o v i d e l a t e r al s t i ff n e s s r e s i s t an c e t o t h e s t ruc t u r e ， u n d e r r a r e e a r t h q u a k e t h e B R B p r i o r t o m a j o r c o m pon e n t s a n d p r odu c e y i e l d d e f o r m a t i o n t o d i s s i p a t i o n s e i s m i c e n e r g y P r o t e c t t h e s t ruc t u r e d a m a g e ， w e s e l e c t t h e o ri gin al s t ruc t u r e B R B s t r u c t u r e and S S I B R B s t ruc t u re， a n al y s i s t h e res i s t a n t beh a vi o r a n d t h e a c t i o n o f t h e s t r u c t u re u n d e r t h e r a r e l y me t e a r t h q u a k e W h e n c o n s i d e r t h e S S I e ff e c t ， B RB w i ll i mp r o v e t h e d e f o rm a t i o n a b i l i t y o f t h e s t r u c t u r e ， e n h a n c e t h e d i s s i p a t i o n c a p a b i l i t y o f t h e B RB s t r u c t u r e a n d S S I - BRB s t ruc t u r e Ke y wo r d s： s o i l s t r u c t u r e i n t e r a c t i o n； b u c k i n g r e s t r a i n e d b r a c e ； fi b e r mode l ； D r u c k e r - P r a g e r mo d e l ； e l ast i c - p l ast i c a n aly s i s 0 引 言 传统的抗震分析假定结构为刚性地基 ， 事实上 ， 除了结构直接以岩土作为支承的个别情况外， 一般 结构均以土作为支承介质。同一个结构， 在刚性地 基和柔性地基上的动力反应特性 是不同的。 屈曲约束支撑 作为一种消能减震构件， 在小 震下不屈服， 作为普通支撑提供侧向刚度， 在强震 下， 于预定的地震作用下先于主要构件产生屈服变 收稿 日期 ： 2 0 1 2 -0 3 1 4 作者简 介： 王涛锋 ( 1 9 8 4一) ， 男 ， 硕士 ， 主要从事结 构抗震研究 。 E ma l l ： wa n g t a o f e n g 1 2 6 c o m 形耗散地震能量 ， 从而达到降低结构地震反应 的 目 的。由于屈曲约束支撑作为一道抗震 防线 ， 在强震 下能否首先屈服 ， 耗散地震输入结构的能量 ， 起到主 要构件安全的 目的， 本文对软土地基上考虑土体与 结构相互作用 刮情况下， 研究屈曲约束支撑耗能性 能影响。 1 结构计算模型及参数 1 1 工程概 况 本文 以上海某 6层钢筋混凝土结构为例 ， 底层 层高 4 5 m， 其他层层高 3 6 r n ， 板厚 1 0 0 I T I m， 横向 主梁截 面为 2 5 0 mm4 5 0 mlT l ，纵 向主梁 截面 为 2 0 1 3 N o 5 王涛锋 ， 等： 软土场地下土与结构相互作用 B R B混凝土框架抗震性能研究 1 8 5 2 5 0 m m 6 0 0 m m，梁柱混凝土强度等级为 C 2 5 。采 用有限元方法进行非线 性分析 。 引。梁 、 柱采用基 于材料的纤维梁单元 B 3 2来模拟 ， 楼板采用 壳单元 模拟 ， 钢筋与混凝 土之间的粘结关系可 以采用关键 字 R e b a r 方法模拟 ， 土体采用实体单元模拟。结构 整体模型如图 1 所示。 图 1 S S I - B RB - 模 型 F i g 1 S S I - BRB- mo d e l 1 2混凝土本构模型 有限元分析 中须 引入混凝土的本构关系 ， 混凝 土采用陆新征子程序中塑性损伤模型- 8 J ， 受压骨架 线 由式( 1 )( 3 ) 定义 ， 初始弹性模量 E为骨架线上 升段在原点处的切线斜率， E o = 田 受拉骨架线 为带有软化段 的双线型 ， 上升段 弹性 模量为 E 。 ， 达 到轴心抗拉强度 后进入刚度为 y 。 的下降段 ， 完 整 的混凝土单轴拉、 压骨架线如图 2所示。 or= 厶 。_ f 2 + 1 0 占 co ( 1 ) 6c o、 棚 = 厶 + ( 8 ) 。 ( 3 ) 式 中厶 为混凝 土轴心抗压强度 ； 为极 限压应变 ( s 。 ) 对应的混凝土强度。 I t Y , Eo l r ， tE 芝 6R rn旺 、一 ， ( a ) 骨架线 ( b ) 加卸载规则 图2 混凝土单轴本构 Fi g 2 Co n c r e t e u n i a x i a l c o n s t i t ut i v e 通过一个虚拟点 R控 制卸载与再加载 刚度 的 退化， R的位置由损伤参数 d 。 决定。R点对应的应 变按式( 4 ) 计算， 对应的应力为 E 。 ， d 的取值范 围如式( 5 ) 。 一 4 ) d 。 1 ( 5 ) cuD O 1 3 B R B本构模型 由于 B R B的芯材为低屈服点钢， 如图 3 ( a ) 所 示 ； 钢材反复加载的应力一 应变本构关系可采用子程 序中双线性随动硬化模型 】 ， 如图 3 ( b ) 所示 ； 材料 参数包括屈服强度 ， 弹性模量 E o 和屈服后强度系 数 ， 可以模拟反复荷载作用下钢构件的力学行为。 口J 。 、 图 3 B R B模型 F i g 3 BRB mo d e l 1 4土体本构模型 土体在应力超过一定限度后将产生塑性变形 ， 对于一般的工程问题 ， 可以采用弹塑性模型 来描 述土体 的这一特性。D r u c k e r P r a g e r 模型 ” 是 一种 理想弹塑性模型 ， 能较好 的反映土的特性 。D r u c k e r P r a g e r 模型是在考虑静水压力影响的广义 Mi s e s 屈 服准则上建立起来 的， D r u c k e r - P r a g e r 模型在 叮 r 平面 上是一个圆， 表述简单。在三维应力空间中 D r u c k e l 一 P r a g e r 模型屈服准则 由主应力空间的锥 面表示。 屈服条件为： F= 1 1 + 一k：0 ( 6 ) 式中 ， 。 、 ， 2 分别为应力张量第一不变量和应力偏 量第二不变量； 。 、 k 为材料参数。 ， l=or 1+or 2+or 3 ( 7 ) = ( or1一or 2 ) +( or 2一or 3 ) +( or 3一or1 ) ( 8 ) ) 高 高 式 中 和 c为材料的内摩擦角和粘聚力 ； or 、 ： 、 or 为主应力 。 对于三轴拉伸试验 ， 屈服准则的控制方程为 ： 0 10 3+ ( 。+ 。 )一 云一 寺 ta 1一 t T l_ 一 0。 = 0 ( 1 o ) 一 吉 ta K 由 内 摩 擦 角 表 示： K= 为 保 证 屈 服 1 8 6 四川建筑科学研究 第 3 9卷 面外凸， 0 7 7 8 1 。 1 5 土体边界 地基无限边界的处理是有限元求解动力问题的 重要步骤 ， 本文 引入粘 滞边界 。 引， 通 过在人工边 界上设置一系列的阻尼器来 吸收向外辐射 的波动能 量 ， 在假想 的边界处人为的施 加两个方 向的粘滞分 布力 ， 模拟波动 的透射过程 。一般情况下选取与频 率无关的阻尼力： C =A 1 p v ； C =A 2 p v ( 1 1 ) 式中C 和 C 分别为沿法 向边界和切向边界作用 的粘滞力 ； A ， 和 4 ： 为人工边界节点 截面面积； p为 介质密度； t ， u 。 为纵波和横波传播速度。 2 基本参数 2 1 地震波选用 按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于两 组的实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲 线 ， 其平均地震影响系数 曲线应与振型分解反应谱 法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符 ， 如图 4所示 ； 地震波见表 1 。 图 4 地震影响 系数 曲线 F i g 4 S e i s m i c e ffe c t c o e f fi c i e n t c u r v e 表 1 地震 波 Ta b l e 1 S e i s mi c wa v e 2 2求解技术 结构的动力响应分析 ， A b a q u s S t a n d a r d分析模 块中提供了隐式直接积分法。A b a q u s中隐式直接 积分法采用 H il b e r H u g h e s T a y l o r 法。按照 N e w m a r k 方法的稳定性条件， 递推格式是无条件稳定的。本 文计算分析中基本参数见表2 表 4 。 表 2 混凝土计算参数 Ta b l e 2 Co n c r e t e p a r a m e t e r s 表 3 B R B参数 Ta b l e 3 BRB p a r a m e t e rs 表 4 土体物理参数 。 】 Ta b l e 4 S o i l p h y s i c a l p a r a m e t e rs 3 动 力特性 3 1 周 期 结构周期见表 5 。 表 5 结构周期 Ta bl e 5 Pe dod o f t he s t r uc t ur e T1 s 1 2 s T 3 s T 4 8 T5 s MODEL 1 2 2 9 1 1 6 2 0 9 5 1 0 3 9 3 0 3 6 5 BRB MODEL 1 1 1 8 1 o o O 0 8 5 4 0 3 7 6 0 3 2 4 S S I BRB MODE L 1 4 O O 1 2 1 1 1 0 6 5 0 4 3 7 0 3 8 0 3 2质量 系数 x、 y 、 z向质量系数分别如图5 7所示。 图 5 X向质量 系数 F i g 5 Qu a l i t y c o e ffic i e n t o f X d i r e c t i o n 图 6 Y向质量 系数 F i g 6 Qu a l i t y c oeffic i e n t o f Y d i r ect i o n 4罕遇地震作用结果分析 4 1 顶点位移 顶点位移时程曲线如图 81 O所示。 2 0 1 3 N o 5 王涛锋 ， 等： 软土场地下土与结构相互作用 B R B混凝土框架抗震性能研究 l 8 7 籁 删 筐 坦 0 0 6 0 3 潍0 牮 -0 3 -0 6 6 9 振型 图 7 Z向质量 系数 F i g 7 Q u a l i t y c o e f fi c i e n t o f Z d i r e c t i o n 0 3 6 9 时间， s 图 8 S HA N G H A I 1位移时程 曲线 Fi g 8 TH n e h i s t o r y c u r v e o f S HANGHA I 1 wa v e 0 3 6 9 时间， s 图9 T I A N J I N( N S )位移时程曲线 F i g 9 T i me h i s t o ry c u r v e o f T I A NJ I N( N - S )w a v e 0 6 0 3 目 饕0 -0 3 0 6 0 3 6 9 时间， s 图 1 0 T C U 1 3 8 ( N - S )位移 时程 曲线 F i g 1 0 T i me h i s t o r y c u r v e o f T CU 1 3 8 ( N - S)w a v e 4 2层 间位移角包络 层问位移角包络如图 1 l 所示。 嗵 帮 位 移 角 r a d 图 l 1 罕遇地震下层间位移角 Fi g 1 1 I nt e r l a ye r d i s pl a c e me nt ang l e wi t h M CE 4 3结构位 移 结构位移如图 1 2所示。 6 踏4 郑 2 0 U 1 0 0 2 0 0 30 0 结构位移 mm 图 l 2 罕遇地震下结构位移 F i g 1 2 I n t e r l a y e r d p l a c e m e n t wi t h M CE 4 4 底层 B R B滞回曲线 底层 B R B滞 回曲线如图 1 31 5所示。 位移， m ( a ) b r b - ma d e l 1 5 0 1 0 0 5 O 趸 0 -5 0 1 0 0 1 5 0 25 1 5 - 5 0 5 1 5 2 5 位 mr a ( b ) s s i n l e l 图 1 3 S HA N G H A I 1波滞回曲线 Fi g 1 3 Hy s t e r e t i c c u r v e S HANGHAI 1 wa v e 位移 mm ( a ) b r b - ma d e l 一25 一 l 5 - 5 0 5 1 5 25 位移 n u n ( b ) s s i - b r b -ma d e l 图 1 4 T I A N J I N( N S ) 波滞回曲线 F i g 1 4 H y s t e r e t i e c u r v e T I A NJ I N( N- S )w a v e 位移 mm ( a ) b r b - ma d e l l 5 0 1 0 0 5 0 0 _ 5 0 1 0 0 1 5O 2 5 - 1 5 5 0 5 1 5 2 5 位移 mm ( b ) s s i - b r b ma d e l 图 1 5 T C U 1 3 8 ( N S ) 波滞回曲线 F i g 1 5 Hy s t e r e t i e c u rve T C U1 3 8 ( N- S )w a v e 4 5 结构塑性损耗 结构塑性损耗如图 l 61 8所示。 分析了原结构 、 B R B结构 和 S S I B R B结构 的动 力特胜， 从表 5可以看出， 与原结构相比， B R B结构 0 漤 0如 荔气 R = ； = = = = 止一 。 。 。 P L L 1 8 8 四川建筑科学研究 第 3 9卷 图 1 6 S H A N G HM1 塑性损 耗 Fi g 1 6 T h e p l a s t i c d i s s i p a t i o n S HANGHAI 1 wa v e 图 1 7 T I A N J I N( N S )塑性损耗 F i g 1 7 T h e p l a s ti c d i s s i p a t i o n T I A N J I N( N- S ) w a v e 图 1 8 T C U 1 3 8 ( N S ) 塑性损耗 F i g 1 8 T h e p l ast i c d i s s i p a t i o n T C U1 3 8 ( N - S)w a v e 的周期有所减小 ， 而 S S I B R B结构有所增大 ， 通过图 5 7分析得到在质量系数基本不变的情况下 ， 仅对 比 T 1 、 T 2 、 T 3 ， B R B 结 构 的 周 期 减 小 9 0 3 、 l 3 9 4 、l O 1 9 ， S S I B R B 结 构 增 大 1 3 9 1 、 4 2 2 、 l 1 9 8 。所 以， 考虑 S S I时结 构的动力特 性有明显的改变 ， 结构体系有“ 变软” 趋势。 图 8l O为罕遇地震作用结构顶点时程 曲线 ， B R B结 构、 S S I B R B与 原 结 构 相 比较 。T I A N J I N ( N O S ) 波作用下 ， 位移峰值减小 2 3 6 5 、 1 2 9 5 ， T C U 1 3 8 ( N s ) 波作用 下， 位移峰值 减 2 5 9 9 、 5 2 8 ， S H A N G H A I 1波 作 用 下 ， 位 移 峰 值 减 小 2 7 6 7 8 、 1 4 2 3 。因此在考虑土体作用时， 考虑 土体作用对原结构位移影响明显。 图 1 1 一 l 2为层间位移角和结构位移。从图中 可以看出与原结构相 比较 ， B R B结构的位移角明显 减小。然而在考虑 S S I 作用下， 结构位移角有了明 显的增大。图 1 31 5为结构底层 B R B滞回曲线， 考虑 S S I 效应时， B R B滞回性能更加饱满、 稳定。变 形能力有了明显的改善。 图 1 6一l 8为系统 的塑性 耗能 ， 从 图 中可 以看 出 ， 在 B R B结构和 S S I B R B结构时 ， 罕遇地震作用 下， S H A N G H A I 1 波作用下塑性耗能最大值分别为： 8 4 9 0 3 J 、 1 2 4 7 9 5 J 。 T I A N J I N( N S ) 波作用下 ， 塑性 耗能最大值 分别 为： 8 4 6 2 2 J 、 1 3 8 1 6 6 J 。T C U1 3 8 ( N s ) 波作用下 ， 最大值分别为： 8 5 7 8 0 J 、 1 3 4 1 1 9 J 。 系统的耗能能力增大。 5 结 论 主要研究 了软土场地下土与结构相互作用影响 下的 B R B结构 的抗震性 能， 分别考虑原结构 、 B R B 结构 、 S S I B R B结构的动力特性 和罕遇 地震 下 的抗 震性能。 动力特性方面： 由于 B R B增大了结构 的抗侧刚 度 ， 使结构周期有所减小 ， 软土场地下 S S I 对结构 的 动力特性影响 明显。软土场地条件下 结构体系有 “ 变软” 趋势。 罕遇地震作用下 ， B R B结构和 S S I B R R结构 对位移 具有 减小作 用。B R B减小 了层 间位 移角。 考虑 S S I 时又放大了位移角。考虑 S S I 效应时， B R B 滞回性能良好。B R B变形能力有明显的改善。B R B 结构、 S S I B R B结构的塑性耗能能力提高。 参 考 文 献 ： 1 李春祥， 张伏海， 顾新花， 等 考虑土结构相互作用下不规则建 筑振动控制研究 J 振动与冲击， 2 0 1 1 ， 3 0( 3 ) ： 2 3 4 - 2 4 1 2 孙飞飞， 刘猛， 李国强， 等国产 T J I 型屈曲约束支撑的性能 J 河北工程大学学报， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 1 ) ： 5 - 9 3 M a s o u d M i r t a h e r i ， A l i G h d d i ， A m i r ， P e y m a n Z a n d i ， e t a 1 E x p e r i - me n t a l o p t i mi z a t i o n s t u d i e s o n s t e e l c o r l e n g t h s i n b uc k l i n g r e - s t r a i n e d b r a c e s J J o u r n a l o f C o n s t r u c t i o n a l S t e e l R e s e a r c h ， 2 0 1 0， 2 8： 1 2 4 4 1 2 5 3 4 Y u Y J ， T s a i K c ， u c H ， e t a 1 A n M i c M S i m u l a ti o n s f o r S h a k i n g T a b l e T e s t s of a F u l l S c a l e Bu c k i n g Re s t r a i n e d Br a c e d F r a me C T h e T w e l f t h E a s t A s i a P a c i fi c C o n f e r e n c e o n S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g a n d C o n s t r u c t i o n， 2 01 l。 1 4： 2 9 41 -2 9 4 8 5 B u r m a n A， A g r a w a l P ， e t a 1 C o u p l e d g r a v i t y d a m f o u n d a t i o n a n al y s i s u s i n g a s i mp l i fi e d d i r e c t me t h o d o f s o i l s t r u c t u re i n t e r a c t i o n J S o i l D y n a m i c s a n d E a r t h q u a k e E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 1 ， 1 0 ： l - 7 6 K i a n o u s h M R， G h a e m ma g h a mi A R T h e e ff e c t o f e a r t h q u a k e f r e - qu e n c y c o n t e n t o n t h e s e i s mi c b e h a v i o r of c o n c ret e rec t a n g u l a r l i q u i d t a n k s u s i n g t h e fi n i t e de me n t me t h od i n c o r p o r a t i n g s o i l rs t r u c - t u r e i n t e r a c t io n J E n gi n eeri n g S t r u c tu r e s ， 2 0 1 l ， 1 3 ： l 一 1 5 7 江见鲸， 陆新征， 叶列平 混凝土结构有限元分析 M 北京： 清华大学出版社 ， 2 0 0 5 8 陆新征， 叶列平， 缪志伟 建筑抗震弹塑性分析 M 北京： 中 国建筑工业出版社， 2 0 0 9 9 汪大绥， 李志 山， 李承铭， 等 复杂结构弹塑性时程分析在 A B A Q U S 软件中的实现 J 建筑结构， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 5 ) 1 O 李广信 关于土的本构模型研究的若干问题 J 岩土工程学 报， 2 0 0 9， 3 1 ( 1 0 ) ： 1 6 3 6 1 6 4 1 【 n朱向荣 。 王金昌 A B A Q U S软件中部分土模型简介及其工程应 用 J 岩土力学。 2 0 0 4 ， 2 5 ( 2 ) ： 1 4 J4 - 1 4 8 1 2 黄雨， 叶为民， 唐益群， 等 上海软土场地的地震反应特征分 析 J 地下空问与工程学报， 2 0 0 5 ， 1 ( 5 ) ： 7 7 3 - 7 7 8