地震作用下高層建筑的群樓效應(yīng)機(jī)理研究

以城市環(huán)境下高層建筑群為研究對(duì)象，研究了鄰近建筑對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響。研究?jī)?nèi)容主要包括高層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化動(dòng)力模型、結(jié)構(gòu)-土-結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力特性、阻尼矩陣構(gòu)建方法等的理論分析、數(shù)值計(jì)算以及離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。主要研究成果有：(1)提出了修正模態(tài)攝動(dòng)法用以計(jì)算變截面Timoshenko梁的動(dòng)力特性，在此基礎(chǔ)上，建立了任意荷載作用下Timoshenko梁動(dòng)力反應(yīng)的振型疊加法。(2)針對(duì)時(shí)程分析過程中，阻尼矩陣對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的顯著影響，以結(jié)構(gòu)的峰值位移最小為優(yōu)化目標(biāo)，建立了可直接確定Rayleigh阻尼系數(shù)的優(yōu)化求解方法，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出Rayleigh阻尼系數(shù)約束優(yōu)化解法和Caughey阻尼系數(shù)優(yōu)化解法。從而建立可考慮結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、激勵(lì)空間分布和頻譜特性影響的Rayleigh阻尼系數(shù)和Caughey阻尼系數(shù)。(3)將上部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為等效單自由度模型，采用剛性基礎(chǔ)明置于均質(zhì)土層上。系統(tǒng)地研究?jī)蓚€(gè)相同結(jié)構(gòu)所構(gòu)成結(jié)構(gòu)-土-結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力特性的變化規(guī)律。根據(jù)結(jié)構(gòu)-土-結(jié)構(gòu)體系中存在兩階頻率相近相位相反振動(dòng)模態(tài)的現(xiàn)象，提出了孿生頻率的概念。隨后，探討了孿生頻率隨結(jié)構(gòu)與土層的頻率比、兩結(jié)構(gòu)之間距離與基礎(chǔ)寬度比的相對(duì)距離、基礎(chǔ)寬度與土層厚度的寬厚比等因素的變化規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)相對(duì)距離小于2.5、頻率比大于0.7，寬厚比在0.7至2.5之間時(shí)，孿生頻率相對(duì)變化量超過15%。然后，進(jìn)行了行波地震輸入下結(jié)構(gòu)-土-結(jié)構(gòu)相互作用體系動(dòng)力反應(yīng)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，由于孿生頻率的存在，易于使結(jié)構(gòu)和場(chǎng)地產(chǎn)生拍的現(xiàn)象。(4)在水平地震作用下對(duì)比分析了土-結(jié)構(gòu)相互作用體系和結(jié)構(gòu)-土-結(jié)構(gòu)體系中基礎(chǔ)水平加速度、搖擺加速度反應(yīng)。數(shù)值結(jié)果表明：鄰近結(jié)構(gòu)主要對(duì)結(jié)構(gòu)的搖擺振動(dòng)有顯著影響，當(dāng)相對(duì)距離小于0.5，鄰近結(jié)構(gòu)可使搖擺振動(dòng)變化超過15%。但對(duì)結(jié)構(gòu)的水平地震影響很小，可以忽略不計(jì)。(5) 采用模型實(shí)驗(yàn)研究了框架結(jié)構(gòu)在剛性基礎(chǔ)、單一結(jié)構(gòu)土-結(jié)構(gòu)相互作用和結(jié)構(gòu)-土-結(jié)構(gòu)相互作用下系統(tǒng)的頻率、模態(tài)和阻尼比的變化情況。根據(jù)脈沖激勵(lì)下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)識(shí)別出三個(gè)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。尤其是提出在箱體上進(jìn)行單一激勵(lì)，結(jié)構(gòu)上多點(diǎn)輸出的方式，成功識(shí)別出了結(jié)構(gòu)-土-結(jié)構(gòu)體系的孿生頻率。同時(shí)離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)的試驗(yàn)結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)-土-結(jié)構(gòu)體系基礎(chǔ)的豎向位移和搖擺振動(dòng)增加；兩結(jié)構(gòu)有一定角度的結(jié)構(gòu)-土-結(jié)構(gòu)體系，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)明顯加強(qiáng)。 2100433B

以高層建筑群為研究對(duì)象，提出群樓體系的概念進(jìn)行地震作用下多個(gè)建筑與土體耦合場(chǎng)的動(dòng)力相互作用問題的研究。首先，采用解析和數(shù)值計(jì)算方法，研究群樓體系的耦合阻抗函數(shù)，進(jìn)而研究多個(gè)建筑與土體相互作用對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性影響的變化機(jī)理，并建立耦合場(chǎng)下結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性變化的計(jì)算模型；其次，根據(jù)群樓體系內(nèi)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的相互作用現(xiàn)象，提出群樓效應(yīng)的概念，并定義群樓相互作用系數(shù)指標(biāo)用以定量分析群樓效應(yīng)，隨后對(duì)建筑分布分別采用周期模型和隨機(jī)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析，將群樓體系中與建筑特征有關(guān)的量看作隨機(jī)變量，從而建立群樓相互作用系數(shù)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算模型；第三，進(jìn)行理論分析和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的對(duì)比研究，驗(yàn)證計(jì)算模型的合理性；最后，根據(jù)理論分析、數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果，以現(xiàn)有單體建筑下土－結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用簡(jiǎn)化計(jì)算模型為基礎(chǔ)，提出一個(gè)反映群樓效應(yīng)影響的簡(jiǎn)化計(jì)算模型，用于群樓體系的抗震分析和設(shè)計(jì)。

大型復(fù)雜超高層建筑將是我國(guó)未來20～30年城市建設(shè)中的重點(diǎn)之一，強(qiáng)地震區(qū)的超高層建筑將是其建設(shè)的難點(diǎn)。本項(xiàng)目以鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)和鋼－混凝土混合結(jié)構(gòu)四種典型超高層建筑結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，發(fā)展高效超高層建筑結(jié)構(gòu)新體系及其高性能部件，研究它們?cè)趶?qiáng)地震作用下的地震災(zāi)變關(guān)鍵效應(yīng)和地震災(zāi)變?nèi)^程，揭示結(jié)構(gòu)地震破壞和倒塌的物理機(jī)制，發(fā)展相應(yīng)的數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)技術(shù)。建立考慮損傷累積效應(yīng)的材料本構(gòu)關(guān)系、反映損傷演化規(guī)律的構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)的滯回模型乃至基于損傷累積效應(yīng)的結(jié)構(gòu)整體數(shù)值計(jì)算模型；建立考慮巖土－基礎(chǔ)－超高層結(jié)構(gòu)的動(dòng)力耦合效應(yīng)的非線性建模理論與方法；進(jìn)行超高層結(jié)構(gòu)在強(qiáng)地震作用下的動(dòng)力全過程分析，研究地震損傷演化規(guī)律，建立地震失效破壞準(zhǔn)則，進(jìn)而發(fā)展結(jié)構(gòu)的強(qiáng)震失效模式優(yōu)化和控制結(jié)構(gòu)地震破壞和倒塌的方法和措施，改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。本項(xiàng)目的實(shí)施將為我國(guó)五百米級(jí)超高層建筑的安全建設(shè)和運(yùn)營(yíng)提供科學(xué)支撐。

本項(xiàng)目針對(duì)典型超高層建筑結(jié)構(gòu)，發(fā)展高效超高層建筑結(jié)構(gòu)新體系及其高性能構(gòu)件，研究它們?cè)趶?qiáng)地震作用下的地震災(zāi)變關(guān)鍵效應(yīng)和地震災(zāi)變?nèi)^程，揭示結(jié)構(gòu)地震破壞和倒塌的物理機(jī)制，發(fā)展相應(yīng)的數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)技術(shù)。進(jìn)行了鋼材和混凝土材料在反復(fù)荷載作用下的滯回性能試驗(yàn)，建立了材料在反復(fù)荷載作用下的本構(gòu)關(guān)系；開發(fā)了多種新型多重組合鋼-混凝土組合剪力墻及筒體，進(jìn)行了新型構(gòu)件和超高層建筑典型構(gòu)件 (高含鋼率SRC組合柱、高強(qiáng)超厚板鋼柱、內(nèi)置鋼板鋼筋混凝土剪力墻)抗震性能試驗(yàn)，建立了非線性數(shù)值計(jì)算模型，提出了抗震設(shè)計(jì)方法與構(gòu)造措施；完成了可液化地基－高層結(jié)構(gòu)體系相互作用的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和相鄰高層結(jié)構(gòu)—樁—土動(dòng)力相互作用體系的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，建立了非線性數(shù)值計(jì)算模型，初步揭示了土—結(jié)動(dòng)力相互作用體系的地震反應(yīng)規(guī)律及其影響因素；提出了一種計(jì)算結(jié)構(gòu)整體性能與局部破壞的多尺度單元耦合模型；提出了應(yīng)用增量動(dòng)力分析方法對(duì)超高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于概率的抗震性能評(píng)估的方法；提出了利用屈曲約束支撐、阻尼器控制帶伸臂桁架的框架—核心筒結(jié)構(gòu)地震損傷的方法，并通過數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了驗(yàn)證；發(fā)展了可恢復(fù)功能高層抗震結(jié)構(gòu)的概念，提出了一種新型帶可更換連梁的剪力墻和一種新型帶可更換腳部構(gòu)件的剪力墻，進(jìn)行了兩種剪力墻的抗震性能試驗(yàn)，建立了其非線性數(shù)值計(jì)算模型；完成了上海中心、上海世博會(huì)中國(guó)館等9個(gè)實(shí)際復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)整體模型的模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和非線性地震反應(yīng)數(shù)值分析，研究了其地震破壞機(jī)理和抗震薄弱部位，為其抗震設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐；編制了上海市《超限高層建筑工程抗震設(shè)計(jì)指南》(第二版)。本項(xiàng)目的研究成果為改進(jìn)高層及超高層建筑的抗震設(shè)計(jì)、改善其抗震性能、有效控制其地震損傷提供了科學(xué)支撐。 2100433B

目前，我國(guó)西南地震帶附近已建或在建了一批200-300m級(jí)高堆石壩，因此深入認(rèn)識(shí)地震作用下的堆石體錨固效應(yīng)細(xì)觀機(jī)制并確保大壩在極端條件下的安全穩(wěn)定有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本項(xiàng)目以地震動(dòng)作用下堆石體的細(xì)觀響應(yīng)為研究主線，考慮了動(dòng)力作用對(duì)堆石體顆粒破碎的影響，建立了堆石顆粒動(dòng)力損傷本構(gòu)模型。顆粒破碎對(duì)顆粒集合體的力學(xué)響應(yīng)有著顯著的影響，本項(xiàng)目一方面研究了考慮真實(shí)形狀的單顆粒破碎的力學(xué)行為，并發(fā)現(xiàn)了顆粒形狀對(duì)于破碎強(qiáng)度的韋伯分布影響的一般規(guī)律；另一方面，進(jìn)一步對(duì)不同破碎模式帶來的宏細(xì)觀影響進(jìn)行探究，模擬了不同破碎模式下，單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中顆粒集合體破碎演化過程及結(jié)果，重點(diǎn)探究了靜水壓力狀態(tài)對(duì)破碎演化帶來的影響，并對(duì)破碎發(fā)生的空間關(guān)系進(jìn)行了分析。同時(shí)，本項(xiàng)目研究了堆石顆粒表面細(xì)觀特征對(duì)動(dòng)力響應(yīng)的影響，建立了三維隨機(jī)多面體顆粒動(dòng)力接觸模型和錨桿與堆石體相互作用動(dòng)力接觸模型，提出了考慮堆石體動(dòng)力錨固效應(yīng)的三維隨機(jī)散粒體模擬方法。通過物理試驗(yàn)和數(shù)值分析，在宏、細(xì)觀多層次上揭示動(dòng)力作用下堆石體的力學(xué)響應(yīng)及錨固效應(yīng)作用機(jī)理；改進(jìn)了現(xiàn)有的堆石體宏觀動(dòng)力本構(gòu)模型，并探討其合理性和適用性，并提出了加錨堆石體宏觀力學(xué)參數(shù)的確定方法。本項(xiàng)目的研究成果將有助于推動(dòng)堆石體宏細(xì)觀動(dòng)力學(xué)發(fā)展，可為我國(guó)西部高烈度地震區(qū)的200m~300m級(jí)高堆石壩建設(shè)提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)支持，并推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域設(shè)計(jì)和研究工作的發(fā)展，提高我國(guó)高堆石壩的設(shè)計(jì)和研究水平。 2100433B