基于子结构拟动力试验和子域法的土与高层建筑群动力相互作用机理研究

Earthquake, which is significantly stochastic and uncertain, is a sudden natural disaster. Both the Wenchuan earthquake in 2008 and Lushan earthquake in 2013 brought great loss to our country. Soil - high-rise buildings is a complex system and accurately predicting the seismic response of this system is the foundation for seismic design of High-rise buildings. In previous work, the applicant has already completed the shaking table test of soil - high-rise buildings and has the preliminary results on the dynamic interaction law of soil and high-rise buildings. The high-rise building was simplified to a single concrete column with mass as a single degree of freedom system. In order to understand the effect of dynamic interaction between soil and high-rise buildings on the seismic performance of high-rise buildings, we propose to do a large-scale substructure pseudo dynamic test and put forward the subdomain method with reduced site soil according to the idea of partitions and step by step to investigate the mechanism of soil - high-rise buildings dynamic interaction. The subdomain method is combined with finite element method, which is applied to the large-scale substructure pseudo dynamic test to validate the subdomain method. On this basis, the subdomain method is used in the parameter analysis of soil - high-rise buildings dynamic interaction to build the simplified analysis evaluation method of high-rise building seismic response. Finally, revealing the mechanisms of interaction between soil and high-rise buildings will provide theoretical basis for the design of high-rise buildings and promote the development of building design standards.

地震是一种突发性自然灾害，具有极大的随机性和不确定性。2008年汶川地震和2013年雅安芦山地震给我国带来巨大的损失。土－高层建筑群是一个复杂的整体体系，对体系进行准确的地震反应预测是高层建筑抗震设计的基础。在前期工作中，本申请人已进行了土与高层建筑群的振动台试验，初步讨论土与高层建筑群的动力相互作用规律，高层建筑简化为单自由度体系的带质量块的混凝土单柱模型。为深入研究场地土与高层建筑群动力相互作用对高层建筑抗震性能的影响，本课题拟采用大尺度子结构拟动力试验与子域法相结合研究相互作用机理。根据分区分步计算的思路，提出减少场地土的子域法，将子域法与有限元法相结合，并用子结构拟动力试验验证子域法。在此基础上，运用子域法对土与高层建筑群体系进行参数分析，建立土与高层建筑群相互作用地震反应分析简化评估方法，并揭示土与高层建筑群动力相互作用机理，为高层建筑的设计提供理论依据，促进建筑设计规范的发展。

地震给人类带来了巨大的生命财产损失。随着城市的发展，越来越多的建筑群在中小城市涌现。土与建筑群的动力相互作用有可能给建筑带来更大的损害和更多的经济损失。本项目提出了考虑土与建筑群动力相互作用的子域分析法，采用前期的振动台试验数据验证了子域法的准确性。选择六层的钢框架结构，选取底层作为试验子结构，采用改进的penzien模型，用matlab编制计算程序作为计算子结构模型，实施了足尺的土与建筑群动力相互作用的子结构拟动力试验。在此基础上，建立土与建筑群相互作用的有限元模型，进行参数分析，研究影响土与建筑群动力相互作用的敏感因素，进行了土与建筑群相互作用的规律和机理分析。研究表明：子域法计算结果与全模型计算和振动台试验均吻合得较好，子域法适用于土与建筑群动力相互作用体系的动力响应计算，并且减小了计算模型，大大缩减了计算时间，提高了计算效率；子结构拟动力试验可以进行足尺试验，不用缩小模型比例，克服了尺寸效应、重力失真等影响因数，且实验条件与实验成本均要求较低，为以后实验室进行1：1比例的土与结构相互作用实验提供了新的实验方法。在地震作用下，建筑群中结构位置不同反应不同，表现出动力相互作用的群效应。与单个结构相比，群相互作用使得结构的加速度减少，速度则有时增大、有时减小，与输入的地震波特性和结构位置相关。而中间建筑位移反应减少，沿振动方向结构的位移增大，建筑群中远离中间建筑的周边建筑位移反应最大。建筑群数量是影响群效应的最显著的因素。土–建筑群动力相互作用随着结构间距的增大，影响不断减弱，当建筑物净距大于建筑物基础平面尺寸的1.32倍时，群效应相对较弱。由以上结果可知，土与建筑群动力相互作用对上部结构动力响应影响较大，在上部结构抗震设计时，不能忽略土与建筑群动力相互作用的群效应。