考虑群体效应的软土地基上钢框架地震易损性研究

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地震灾害会给人类带来巨大的生命和财产损失,亟需进行地震风险分析。但对于软土分布广泛的滨海城市地区,未考虑土-结构相互作用的地震易损性分析难以合理地评估结构的抗震性能,进而导致地震风险分析的可靠性降低。同时,城镇化的快速发展导致建筑分布密集,考虑群体效应的土-结构动力相互作用易损性研究显得愈发重要,因为其有助于合理地评估地震风险,从而有效减小地震造成的损失。本文通过有限元模拟,研究了群体效应对钢框架结构地震易损性的影响。本文以易损性为最终研究目标,通过对比单结构与群结构的土-结构动力相互作用反应研究群体效应的影响。首先建立了对比分析有限元模型;接着采用动力参数化分析进行了模型验证,同时探究各影响因素对群体效应的影响规律;然后基于增量动力分析法进行了概率地震需求分析,并从统计学的角度研究了群体效应对结构地震反应的影响;最后结合抗震能力分析得到了结构的地震易损性函数,并基于易损性函数从不同角度评估了群体效应对结构抗震性能的影响。主要研究内容及基于本文特定算例的结论为:首先,进行了相互作用系统的数值模拟。通过有限元模拟了上部钢框架结构、有限域的软土地基、筏板基础、桩基,通过耦合各部分建立了软土地基-钢框架模型和软土地基-钢框架群模型,为后续的动力分析奠定基础。重点考虑了土体的非线性,通过土体等效线性本构的UMAT子程序实现,并开发了适用于多层土体的自动迭代计算程序。其次,进行了动力参数化分析。基于已建立的模型,输入三条典型的地震波进行动力时程分析,以结构的层间位移角和层间剪力为对比指标,将分析结果与已有文献研究结果对比,验证了模型的可靠性,并探究结构间距、地基土体刚度和结构刚度对群体效应的影响规律。对于本文的基准模型,群体效应会降低结构的地震反应,程度可达12.0%;但地基土体刚度及结构刚度改变时,可能会产生相反的效果,而结构间距无明显影响。再次,进行了概率地震需求分析。首先通过增量动力分析法得到了IDA曲线簇,并统计分析得到百分位曲线;然后基于百分位曲线得到了所定义性能点的谱加速度强度Sa(T1,5%),以此作为群体效应影响的对比指标;最后对地震需求进行线性拟合得到概率地震需求模型,作为后续易损性分析的基础。结果表明,当达到同一性能点时,软土地基-钢框架模型的Sa(T1,5%)是软土地基-钢框架群模型的0.88倍左右。最后,进行了地震易损性分析。基于已有研究成果得到了抗震能力模型的参数,结合概率地震需求模型得到了结构的地震易损性函数,进而从破坏状态概率、三水准设防要求和性能裕度比三个角度评估了群体效应对结构抗震性能的影响;并基于易损性分析结果,提出了一种考虑群体效应影响的抗震设计方法。结果表明,群体效应降低结构的地震易损性,差值可达11.2%,并使得倒塌储备系数提高了13.4%;软土地基中的结构即使考虑群体效应的有利影响,也不会满足“三水准”的抗震设防要求。
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