基础隔震山地掉层框架结构抗连续性倒塌性能研究

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普通平地隔震结构体系相较于其他结构体系,因其隔震层刚度较小,地震作用下上部结构基本保持平动,使得隔震结构减震性能优异,且广泛应用于地震区生命线工程和重要建筑中,若意外作用导致的结构发生连续性倒塌破坏,影响将非常严重。目前我国城镇化建设发展迅速,建设用土地资源供给紧张,山地建筑结构的应用增多,基于我国地震灾害频繁且山地建筑结构的先天竖向刚度不规则而导致其抗震性能不强的现状,隔震技术正不断发展并应用于山地建筑中。由于山地隔震结构本身具有特殊性,因此其破坏模式、受力性能与普通平地隔震结构体系有很大的不同,且目前关于连续性倒塌破坏的研究集中于普通结构体系,因此本文针对基础隔震山地掉层结构的抗连续倒塌性能进行了分析研究,主要工作如下:(1)归纳总结国内外关于连续性倒塌分析的设计准则、研究方法及失效评价指标,选定美国Do D2010倒塌失效准则作为评价指标,为基础隔震山地掉层框架结构的连续性倒塌分析研究奠定理论基础。(2)利用通用有限元软件ANSYS/LSDYNA对一个4跨3层平面框架倒塌试验进行模拟分析,验证了LSDYNA纤维单元模型及软件程序的适用性与准确性。(3)按照我国规范设计了9个不同掉跨数与掉层数的基础隔震掉层框架结构以及一个普通平地隔震框架结构,基于LSDYNA计算平台,选取边榀框架建立有限元分析模型。(4)第四章采用基于拆除构件法的动力非线性分析方法对基础隔震山地掉层框架结构的抗连续倒塌性能进行分析;第五章在拆除构件法的基础上增加水平向地震作用,针对双向动力耦合激励下的基础隔震掉层框架结构的抗连续倒塌性能进行分析。研究结果表明:(1)当总层数相同时,随下接地掉层层数增加,基础隔震山地掉层框架结构抗连续倒塌性能随之减弱;当总跨数相同时,随下接地掉跨跨数增加,基础隔震山地掉层框架结构抗连续倒塌性能随之增强。(2)隔震角支座意外失效的平地隔震结构的抗连续倒塌性能弱于基础隔震山地掉层结构的上接地隔震角支座失效工况,强于下接地隔震角支座工况;底层角柱意外失效的平地隔震结构的抗连续倒塌性能强于基础隔震掉层结构的底层角柱失效工况。(3)底层角支座与底层角柱的抗力机制只有梁机制,内柱与内支座失效的抗力机制有梁机制(压拱效应)、机制转换及悬链线机制。且邻近坎下边支座(底层柱)失效跨的抗力机制要滞后于上接地跨的抗力机制。(4)失效时长对剩余结构的动力效应影响程度与剩余结构自振周期相关,一般而言,其失效时长越短,结构的冲击效应越大,结构构件内力越大。(5)基础隔震掉层框架结构体系不同部位失效后剩余体系的抗连续性倒塌性能为:内支座最强,上接地角支座次之,下接地角支座最弱;底层内柱最强,上接地与下接地角柱最弱;上接地的隔震支座失效强于底层失效工况,下接地的隔震支座失效弱于底层工况。(6)双向动力耦合激励下的隔震支座(底层柱)失效对掉层隔震结构抗连续倒塌影响程度要强于仅考虑构件意外失效的竖向工况。双向工况下,平地隔震结构底层柱各部位失效的抗倒塌性能强于基础隔震掉层结构;对于隔震支座的双向工况,平地隔震结构抗倒塌性能强于基础隔震掉层结构下接地的对应支座,弱于下接地的支座。(7)长周期地震动作用下的双向动力耦合激励的隔震支座(底层柱)失效工况的失效点位移明显大于普通地震动作用,且易导致隔震支座失效,降低剩余结构的抗连续倒塌性能。
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