考虑土-结构相互作用的地震竖向分量对钢框架的影响外文翻译资料

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考虑土-结构相互作用的地震竖向分量对钢框架的影响

Hossein Abdollahiparsa*、Peyman Homami**和Faramarz Khoshnoudian***

收到日期:2014年11月10日/修改日期:2015年11月17日/修改日期:2016年1月6日/修改日期:2016年1月10日/修改日期:2016年2月24日

摘 要

本文考虑土-结构相互作用(SSI)，研究了地震垂直分量对5层、15层和25层钢框架结构响应的影响。这些框架是在固定的基础上建模的，并使用锥模型对土壤(根据NEHERP土壤代码类型E和D，分别为100米和250米/秒)的两种剪切波速进行了模拟。研究了框架在地震垂直分量存在和不存在情况下的非线性行为，并通过比较后一种分析结果(有和没有使用锥模型)，检验了SSI的影响。结果表明，竖向分量和SSI可使柱轴向力增加近50%，梁中点竖向位移增加近2倍，层间位移增加近40%，基础旋转。层剪力受到的影响较小。当比较土E型和土D型时，发现地震竖向分量对框架动力反应的影响普遍显著。

关键词:地震竖向分量，土-结构相互作用，钢结构，近场效应，非线性行为

目录

第1章 介绍 3

第2章 参考方法 5

2.1 结构与质量模型 5

2.2土-结构模型及性质 7

第3章 结果与讨论 9

致 谢 18

第1章 介绍

长期以来，人们一直认为考虑地震水平分量的影响就足以对结构进行地震分析。破坏性地震的报告和近场强震的调查表明，在许多情况下，垂直分量的影响应与水平分量一起考虑。断层附近水源的存在历来是人类社会聚集和创造城市和村庄的场所。这表明了对这些地区的地震(即近场地震)进行调查的重要性。近场地震的地震学特征和地震动垂直分量加速度的重要性，使得结构抗震设计越来越受到重视(Papazoglou等, 1996; Collier等, 2001).

Tani和Soda(1980)通过实验测试获得了一个考虑水平和垂直地面运动分量对钢筋混凝土框架动力性能的影响的反应。他们发现柱梁的轴向力增加了1.5倍以上。这可以增加或减少柱的最大水平位移、最大剪力和其他水平反应。在北岭(1994)和神户(1995)地震之后，人们进行了广泛的研究，以确定这些地震和其他近场地震中建筑物倒塌的原因(Uenishi等，2000;Yamaguchi等，2001)。以往关于地震垂直分量对结构影响的研究包括Iyengar和Shinozuka(1972)对悬臂梁模型的影响,Bertero和Anderson(1973)关于钢框架在垂直和水平运动下的非线性地震反应，Foutch和Saadeghvaziri(1991)研究的地震动水平分量对钢筋混凝土桥梁性能的影响，以及Agbabian等(1994)研究了竖向构件对钢筋混凝土结构梁柱节点抗剪性能的影响。

Bozorgnia(1995)研究了不同地震条件下地面的垂直运动，指出垂直地面运动与目标位置的距离、垂直与水平反应谱的比值以及结构的周期有关。在近场区域，这一比例在短时间内较高，超过了假定的2/3，但在长时间内小于这一比例。Bozorgnia等人(1998)研究了垂直地面运动记录从700年台湾和洛马普列塔的12次地震和1994年北岭地震的41个反应谱和冲积土的分析得出结论,所有地震的垂直与水平谱比的主要指标是一致的。他们得到了这些地震的一系列衰减关系，并给出了冲积土中不同距离断层的水平和垂直响应谱。他们还提供了一种从水平响应谱获得垂直响应谱的方法，这对工程目的非常有帮助(Bozorgnia等， 1998)。Salazar和Reyes(2000)研究了国家地震减灾计划和墨西哥规范，并评估了垂直分量对钢框架反应的影响。结果表明，当竖向加速度超过正常范围时，钢框架规范低估了地震荷载，需要重新考虑竖向分量的影响进行改进。Ju等人(2000)对考虑竖向分量对柱轴向力与梁弯矩的关系有显著影响。

研究表明，竖向地震动引起的轴向力的显著波动降低了柱的抗剪承载力，增加了柱受剪破坏的可能性(Mwafy等,2006)。Kalkan和Graizer(2007)指出，所提出的多分量响应谱反映了传统谱本身无法识别的地面运动的运动学特征，至少在近断层区域，可能发生高强度垂直振动和转动激发。Elnashai等人(2008)采用了一种综合分析实验研究方法来研究竖向地震动对钢筋混凝土结构的影响。他们发现，受水平和垂直地震共同作用的钢筋混凝土结构比仅受水平地面运动作用的结构更脆弱。不考虑垂直地面运动的结构设计可能导致对需求的严重低估和对能力的高估，危及结构的整体安全。在评价活动断层附近结构的承载力和需求时，必须考虑垂直地面运动。Elnashai等(2009)研究了不同设计水平对不同类型建筑性能的影响，以及竖向地震分量的影响所造成的破坏。他们发现竖向构件的抗剪承载力降低，轴向力增大，竖向运动对柱的影响变化显著。Kadid和Yahiaoui(2010)研究了水平和垂直加速度对RC结构地震反应的影响。他们发现，竖向分量对基础剪力和层间位移影响不大，但对梁的竖向位移和柱的轴向力影响较大。Kim等(2011)评估了竖向地震地震动对RC桥墩的影响，认为地震动的竖向分量对各级构件的响应都有较大影响。

Sarno等人(2011)考虑了2009年意大利拉奎拉地震的水平和垂直地面运动记录，用于RC结构的地震分析。他们观察到轴向力的变化降低了供给，增加了剪切需求。因此，在近断层地区，钢筋混凝土框架的抗震设计应同时考虑水平和垂直地震作用。大多数建筑结构的分析都是假定刚性支承，这种刚性支承会根据土体类型和地震荷载的时间历程产生非保守响应。Luco and Wong(1987)和Wolf (1985);1988)发现土-结构相互作用对结构的动力特性如频率、阻尼比、地震输入等有显著影响。

大多数分析研究集中在钢筋混凝土和钢框架或桥梁。一些研究集中在观测和垂直运动对结构反应的影响。很少有实验研究这个。现有的地面运动记录表明，垂直和水平分量的峰值比对震中距离、震源深度和土壤类型非常敏感。本文研究了考虑土-结构相互作用(SSI)的近场地震水平和垂直地震动记录下刚性和柔性基础钢框架构件的地震反应。研究人员对垂直加速度进行了研究，以确定地面运动的垂直分量是否构成了建筑物及其地基必须承受的载荷的重要比例。

该研究评估了正确的结构分析程序，包括垂直地面运动和土壤结构相互作用。研究了竖向运动对结构地震反应的影响，并考虑了近场记录中土体反应差异(100,250 m/s)。所提出的模型比以往的简化模型更符合实际，以往的简化模型未能观察到SSI对结构动力特性的影响，从而产生了结构分析和设计的程序，而这些程序在逻辑上不能处理地震的垂直分量。在高地震活动性地区进行有限地震设计和施工质量控制的工程师可以使用该模型作为功能模型。

第2章 参考方法

2.1 结构与质量模型

图1显示了5层、15层和25层的钢框架，分别代表了短、中、高结构。它们的层高为3.2米，跨度为3米，宽度为6米。这些结构的设计符合伊朗地震规范(建筑和住房研究中心，2005)，并位于高地震活动性地区。活载假设为200 kg/m2，静载假设为600 kg/m2，符合伊朗加载标准。采用欧洲IPE标准对框架柱的梁和箱形截面进行水平加速度和水平、垂直联合加速度下的计算。钢的双线性曲线的初始斜率等于材料的弹性模量。的屈服应力(sigma;y = 2.4 e7 kg / m2)双线性曲线的第二部分假设应变硬化率2%。在上部结构阻尼比为5%时，假定瑞利阻尼。假定所有梁、柱单元均具有分布塑性。OpenSees软件(Mazzoni et al.， 2006)用于分析。对结构下的土壤进行锥状建模，以生成更真实的模型。分别在水平加速度、水平加速度和垂直加速度下对模型进行了评估，以确定SSI。

在对这些结构进行建模时，将梁划分为几个单元(Juet al.， 2000)对于精确的建筑分析是非常重要的。质量的垂直位移取决于其在水平单元上的位置，因为水平单元的弯曲刚度通常小于垂直单元的压缩刚度。为了实现这一目标，梁的质量应该分布在主要节点之间(Kadid et al.， 2010)。由于对多节梁的分析耗时较长，每个单元经过多次分析后被划分为四个相等的部分来检验精度。分束节点如图2所示。

图1.具有分布质量的结构模型

图2.(a)分布的质量模型 (b)集中的质量模型

图3.土壤结构模型

2.2土-结构模型及性质

结构下土体存在不同的相互作用的土-结构模型。在本研究中，土体被认为是一个均匀的半空间和一个离散的锥模型(Wolf等，1994)。在这个模型中,三个自由度存在:摇摆(S)和振动(ϕ)运动基金会和一个内部转动自由度(theta;),允许考虑动态的频率依赖土壤(狼,1994)的多层钢框架组成的时刻刚性层建模的基础。质量是表示mi,质量转动惯量为Ii,以及第i层的质量距地基表面的高度为Hi(图1)。结构模型假定位于一个矩形混凝土垫基上，宽度5米，长度20米(沿着建筑物)。忽略基础的柔度，Un表示上部结构中与应变有关的变形。屋顶的摇摆和摇摆运动(水平位移分量)分别被表示为Us和ϕHn。
采用一组频率无关的弹簧和阻尼器，建立了均匀土中浅基础土与结构的惯性相互作用模型。土的动力刚度和阻尼系数是锥模型中推荐的参数(Wolf,1994;Meek等1993)为：
(1) (2)

(3)

upsilon;是土的泊松比,土壤的质量密度rho;,K是弹簧系数、阻尼系数C, z0是锥模型的顶点高度取决于土壤性质,VS是横摇和摇摆时的剪切波速,I0是面积惯性矩的轴旋转,A0是基础区域(Wolf,1994)。考虑了两种类型的下垫层土的剪切波速分别为100 m/s和250 m/s。假定土体的材料阻尼为5%。其他参数的土壤是:rho;= 1/3和upsilon;= 1950公斤/立方米。土结构模型如图3所示。

2.3近断层地震动
以往地震记录为分析水平和水平-垂直复合励磁下的典型结构提供了对垂直运动引起的结构损伤的全面回顾(Papazoglou et al.， 1996)。这些记录显示了垂直激励引起的结构损伤这种运动在损伤中的作用，目前在设计中被忽略。利用这些现场观测资料，利用动力时程分析方法，计算了7条真实近断层地震记录下的框架反应。研究结构在地震中的非线性行为最准确的方法之一是使用适当尺度的记录。这些记录是由Naeim提出的，其中近场地震定义为震中与记录站距离小于20公里的地震(Naeim, 2001)。表1显示了所选近场地震的水平和垂直分量。

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