地震作用下高層建筑的群樓效應(yīng)機理研究項目摘要

以高層建筑群為研究對象，提出群樓體系的概念進(jìn)行地震作用下多個建筑與土體耦合場的動力相互作用問題的研究。首先，采用解析和數(shù)值計算方法，研究群樓體系的耦合阻抗函數(shù)，進(jìn)而研究多個建筑與土體相互作用對結(jié)構(gòu)動力特性影響的變化機理，并建立耦合場下結(jié)構(gòu)動力特性變化的計算模型；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)，隨后對建筑分布分別采用周期模型和隨機模型進(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)的量看作隨機變量，從而建立群樓相互作用系數(shù)的統(tǒng)計計算模型；第三，進(jìn)行理論分析和振動臺試驗的對比研究，驗證計算模型的合理性；最后，根據(jù)理論分析、數(shù)值計算和實驗研究的結(jié)果，以現(xiàn)有單體建筑下土－結(jié)構(gòu)動力相互作用簡化計算模型為基礎(chǔ)，提出一個反映群樓效應(yīng)影響的簡化計算模型，用于群樓體系的抗震分析和設(shè)計。

以城市環(huán)境下高層建筑群為研究對象，研究了鄰近建筑對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響。研究內(nèi)容主要包括高層結(jié)構(gòu)簡化動力模型、結(jié)構(gòu)-土-結(jié)構(gòu)體系動力特性、阻尼矩陣構(gòu)建方法等的理論分析、數(shù)值計算以及離心機振動臺試驗研究。主要研究成果有：(1)提出了修正模態(tài)攝動法用以計算變截面Timoshenko梁的動力特性，在此基礎(chǔ)上，建立了任意荷載作用下Timoshenko梁動力反應(yīng)的振型疊加法。(2)針對時程分析過程中，阻尼矩陣對結(jié)構(gòu)動力反應(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)動力特性、激勵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)地研究兩個相同結(jié)構(gòu)所構(gòu)成結(jié)構(gòu)-土-結(jié)構(gòu)體系動力特性的變化規(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。計算結(jié)果表明，當(dāng)相對距離小于2.5、頻率比大于0.7，寬厚比在0.7至2.5之間時，孿生頻率相對變化量超過15%。然后，進(jìn)行了行波地震輸入下結(jié)構(gòu)-土-結(jié)構(gòu)相互作用體系動力反應(yīng)計算，計算結(jié)果表明，由于孿生頻率的存在，易于使結(jié)構(gòu)和場地產(chǎn)生拍的現(xiàn)象。(4)在水平地震作用下對比分析了土-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)主要對結(jié)構(gòu)的搖擺振動有顯著影響，當(dāng)相對距離小于0.5，鄰近結(jié)構(gòu)可使搖擺振動變化超過15%。但對結(jié)構(gòu)的水平地震影響很小，可以忽略不計。(5) 采用模型實驗研究了框架結(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)脈沖激勵下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)識別出三個系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。尤其是提出在箱體上進(jìn)行單一激勵，結(jié)構(gòu)上多點輸出的方式，成功識別出了結(jié)構(gòu)-土-結(jié)構(gòu)體系的孿生頻率。同時離心機振動臺的試驗結(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)振動明顯加強。 2100433B

大型復(fù)雜超高層建筑將是我國未來20～30年城市建設(shè)中的重點之一，強地震區(qū)的超高層建筑將是其建設(shè)的難點。本項目以鋼結(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，研究它們在強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制，發(fā)展相應(yīng)的數(shù)值模擬和模型試驗技術(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)值計算模型；建立考慮巖土－基礎(chǔ)－超高層結(jié)構(gòu)的動力耦合效應(yīng)的非線性建模理論與方法；進(jìn)行超高層結(jié)構(gòu)在強地震作用下的動力全過程分析，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。本項目的實施將為我國五百米級超高層建筑的安全建設(shè)和運營提供科學(xué)支撐。

本項目針對典型超高層建筑結(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，研究它們在強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制，發(fā)展相應(yīng)的數(shù)值模擬和模型試驗技術(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，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、高強超厚板鋼柱、內(nèi)置鋼板鋼筋混凝土剪力墻)抗震性能試驗，建立了非線性數(shù)值計算模型，提出了抗震設(shè)計方法與構(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臺試驗和相鄰高層結(jié)構(gòu)—樁—土動力相互作用體系的振動臺試驗，建立了非線性數(shù)值計算模型，初步揭示了土—結(jié)動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)用增量動力分析方法對超高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于概率的抗震性能評估的方法；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)值計算進(jìn)行了驗證；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，建立了其非線性數(shù)值計算模型；完成了上海中心、上海世博會中國館等9個實際復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)整體模型的模擬地震振動臺試驗和非線性地震反應(yīng)數(shù)值分析，研究了其地震破壞機理和抗震薄弱部位，為其抗震設(shè)計提供了技術(shù)支撐；編制了上海市《超限高層建筑工程抗震設(shè)計指南》(第二版)。本項目的研究成果為改進(jìn)高層及超高層建筑的抗震設(shè)計、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，我國西南地震帶附近已建或在建了一批200-300m級高堆石壩，因此深入認(rèn)識地震作用下的堆石體錨固效應(yīng)細(xì)觀機制并確保大壩在極端條件下的安全穩(wěn)定有重要的現(xiàn)實意義。本項目以地震動作用下堆石體的細(xì)觀響應(yīng)為研究主線，考慮了動力作用對堆石體顆粒破碎的影響，建立了堆石顆粒動力損傷本構(gòu)模型。顆粒破碎對顆粒集合體的力學(xué)響應(yīng)有著顯著的影響，本項目一方面研究了考慮真實形狀的單顆粒破碎的力學(xué)行為，并發(fā)現(xiàn)了顆粒形狀對于破碎強度的韋伯分布影響的一般規(guī)律；另一方面，進(jìn)一步對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，單軸壓縮實驗中顆粒集合體破碎演化過程及結(jié)果，重點探究了靜水壓力狀態(tài)對破碎演化帶來的影響，并對破碎發(fā)生的空間關(guān)系進(jìn)行了分析。同時，本項目研究了堆石顆粒表面細(xì)觀特征對動力響應(yīng)的影響，建立了三維隨機多面體顆粒動力接觸模型和錨桿與堆石體相互作用動力接觸模型，提出了考慮堆石體動力錨固效應(yīng)的三維隨機散粒體模擬方法。通過物理試驗和數(shù)值分析，在宏、細(xì)觀多層次上揭示動力作用下堆石體的力學(xué)響應(yīng)及錨固效應(yīng)作用機理；改進(jìn)了現(xiàn)有的堆石體宏觀動力本構(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。本項目的研究成果將有助于推動堆石體宏細(xì)觀動力學(xué)發(fā)展，可為我國西部高烈度地震區(qū)的200m~300m級高堆石壩建設(shè)提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)支持，并推動相關(guān)領(lǐng)域設(shè)計和研究工作的發(fā)展，提高我國高堆石壩的設(shè)計和研究水平。 2100433B