低层自动定心的预应力混凝土框架结构的地震分析考虑土壤结构的相互作用

文摘

在这项研究中,低层的抗震性能自动定心的(SC)预应力混凝土框架考虑土壤结构相互作用(SSI)。为了这个目的,一个典型的4-story SC混凝土框架,使用和不灵活的基础,分析了通过非线性动态分析。选择地面运动集有两个风险水平进行分析。传统钢筋混凝土(RC)框架也在研究,钢筋混凝土的结构要求和SC帧比较峰值和残余的雪堆,基底剪力,残余沉降,旋转的基础。分析结果表明,考虑土壤结构相互作用通常增加峰值和残余旋转漂移的要求,减少了基底剪力和连接要求相比,固定的基础条件。的情况下使用和不灵活的基础,SC框架是发现有类似的高峰的故事飘RC框架和显著的内在潜力减少残余的雪堆。框架灵活基地的地震分析结果表明,钢筋混凝土和SC框架可以体验基础损坏由于过度最大考虑地震后残余旋转基础”(MCE)。

1。介绍

在各种自然灾害,地震代表最毁灭性的灾害之一,它可以诱发压倒性的民用基础设施受损。最近的灾难性地震凸显了传统建筑规范规定的局限性,抗地震系统的结构元素的预期收益率,然后消散的能量在强烈的地震。基于能量耗散机制,这是合理的期望显著的残余变形和分布式结构损伤后的传统的抗震结构系统发生强烈地震。最近地震后的实地调查表明,许多地震破坏建筑结构必须拆除由于不可接受的维修费用,尽管他们没有经历严重的结构性破坏或倒塌的1,2]。

担忧的问题与传统的抗震结构体系的发展导致了许多创新的抗震结构系统与更高的性能水平。在过去的几十年里,大量的研究已经开发各种自动定心的(SC)抗震系统的结构性破坏和残余变形最小化[地震发生后3- - - - - -10]。在不同的以自我为中心的系统中,以自我为中心的混凝土框架可以作为替代传统的钢筋混凝土(RC)框架。早期版本的SC混凝土框架使用无粘结PT钢连接的预制梁和柱,并提供自动定心的能力(11),打开/关闭行为是允许的差距在梁和柱之间的接口。减轻地震引起位移的要求,早期研究努力增加SC混凝土框架结构的耗能能力使用的设备(12- - - - - -14在SC梁柱连接。然而,产生设备可以损坏或强震后不容易被取代。因此,摩根和Kurama [15)开发容易更换摩擦装置位于梁的顶部和底部表面的目的。歌等。16,17)提出了一个新颖的SC混凝土框架,它使用无粘结PT肌腱提供恢复能力和螺栓网络摩擦设备(wfd)消散地震能量。这些世界粮食日安装在梁网,从而导致没有任何干扰楼板,相比与SC梁柱连接在摩根和Kurama [15]。此外,使用钢夹克在梁两端保护混凝土梁柱界面免受破坏。

一些研究成果进行数值计算的非线性行为以自我为中心的具体框架。Cheok et al。18)进行了地震响应的参数调查混合预制混凝土无粘结后张(UPT)框架(12),得出的结论是,混合框架可以有类似或更好的性能比传统的整体现浇钢筋混凝土框架。类似的结论是由摩根和Kurama [19)通过比较评估UPT帧与摩擦阻尼系统和传统的钢筋混凝土框架。最近,歌曲等。20.]研究SC混凝土框架的行为与网络摩擦设备(wfd)的结构和成员地震需求进行评估。

值得注意的是,过去的研究在以自我为中心的框架进行假设刚性基础,而且通常土壤弹性框架结构下不考虑。尽管土壤结构相互作用(SSI)对结构的地震反应具有显著的影响(21- - - - - -25执行),小调查研究SSI自动定心的混凝土框架的影响。因此,以一个低层4-story框架建筑为例,本文分析探讨了自动定心的混凝土框架结构的抗震性能的考虑SSI。SC框架和传统的钢筋混凝土框架(包括固定基地和flexible-base)设计和相对评估通过非线性动态分析下三个风险水平的地震地面运动。

2。以自我为中心的混凝土框架与Web摩擦设备(wfd)

一个典型的SC混凝土框架与web摩擦设备(wfd) [16)如图1,预制混凝土梁连接列使用横向的粘结PT肌腱,提供框架地震荷载作用下的恢复能力。钢夹克工厂预制的在梁的两端,和列脸手持钢板,防止混凝土损伤梁和柱的接口。wfd梁头使用消散地震能量当连接缺口打开和关闭。世界粮食日由两个钢频道(图1 (b))螺栓通过钢柱连接板和高强度螺栓。钢网的通道是坚持与黄铜摩擦盘和压缩使用摩擦螺栓钢套,提供正常的部队在摩擦表面。圆孔的钢夹克和梁如图1 (b)可以容纳的运动摩擦螺栓在梁柱的缺口打开/关闭连接。

3所示。设计的系统框架基础

原型4-story RC框架,3×3-bay建筑坐落在洛杉矶,加利福尼亚,选择进行分析为基础来设计SC框架。原型RC框架是由Haselton和Deierlein [26)依照国际商会作为延性框架- 2003 (277-02[],中国28],ACI 318 - 02年(29日),被认为是在一个坚硬土壤。延性钢筋混凝土框架的抗震设计是基于映射的使用风险年代_年代= 1.5 g和年代₁= 0.6 g (g是重力加速度)。图2(一个)显示了计划的原型构建视图。看到的是横向荷载抵制系统原型的结构由四个相同的帧在每一个主要方向。本研究探讨了地震响应的内部框架,框架的正视图所示(图2(b))。这个故事的第一个故事和其他的故事框架4.6米和4.0米,分别。静负荷设计8.38 kN / m²,而设计活载2.39 kN / m²。表1总结了钢筋混凝土框架的主要设计参数。

为了便于比较评估,的梁、柱截面尺寸和强化细节列SC成员帧被认为是相同的原型的RC框架。在SC框架梁的钢筋率设定为0.5%,根据歌曲的建议等。16]。连接设计米_IGO被认为是积极和消极的平均值在钢筋混凝土框架梁挠曲强度的目的。米_IGO由那一刻是由于初始PT力合成梁米_T0和目前由于摩擦力WFD合成,米_Ff,如下: 在哪里T₀和F_f代表初始PT力合成和摩擦力结果,分别。d₀的距离连接旋转梁截面形心点,然后呢r的距离连接旋转指向摩擦力结果。的值T₀和F_f可以确定根据方程(1)和连接的滞回能量耗散率,β_E,可以表示如下:

在这项研究中,β_E= 0.48中使用方程(2)。表1还总结了SC混凝土框架的设计参数,如最初的PT力合成,T₀在世界粮食日,摩擦力合成,F_fPT肌腱的横截面积,一个_p,可以使用T0和计算f_π,在那里f_π= 0.50f_py= PT的设计初始应力肌腱和f_py= 1675 MPa = PT肌腱的设计屈服强度。

在这项研究中,4例被认为,包括RC框架固定基地(RC-FB)和柔性基础(RC-SSI),连同SC帧与固定基地(SC-FB)和柔性基础(SC-SSI)。如图2(b),广场孤立地基为基础设计系统的RC和SC帧。立足点是认为是基于密集粉沙原型建筑工地和土壤属性是单位重量γ= 18 kN / m³、摩擦角ϕ= 18°,凝聚力c= 5 kPa。基础设计是根据承载力理论nina Meyerhof [30.),垂直安全系数被认为是3。结果,内部结算总额是设计为1.9米×1.9米×0.5米,和外部地基设计为1.5米×1.5米×0.5米,而埋置深度0.5米的内部和外部的立足点。

4所示。分析模型

4.1。RC和SC的建模框架

RC二维数值模型的构造和SC框架使用开源软件OpenSees [31日)执行模态和非线性动态分析。RC框架,每个梁模型使用一个线性弹性梁柱元素(OpenSees elasticBeamColumn元素),集中塑性铰元素(OpenSees zeroLength旋转元素)梁的两端。集中塑性铰的元素是由伊瓦拉et al。32),包含一个滞回模型定义为三线的骨架曲线和滞回规则有关,可以考虑强度和刚度退化。的建模参数集中塑性铰元素被校准RC梁的试验结果与韧性详细(33),已经被一些研究人员使用绩效评估的延性钢筋混凝土框架(34,35]。根据Haselton和Deierlein [26),一个弹性zeroLength旋转元素是用来模拟板带剪切变形的钢筋混凝土框架。由于存在轴向加载的列,列是使用部队建模的非线性梁柱单元(OpenSees forceBeamColumn元素),也可以考虑轴向load-flexural弯矩之间的交互。forceBeamColumn元素还可以捕捉分布式可塑性与fiber-sections沿着元素集成点。这些fiber-sections代表的横截面结构成员,是由大量的网状纤维。每个纤维分配单轴应力-应变关系的一个特定的材料,如混凝土和钢筋。纤维截面受力变形的设计关系是由集成部分的应力-应变关系。在这项研究中,钢筋是使用单轴Giuffre-Menegotto-Pinto建模的模型(OpenSees Steel02材料),而混凝土模拟通过单轴Kent-Scott-Park模型(OpenSees Concrete01材料)(36]。

世界粮食日的SC框架分析模型是构造使用SC梁柱连接模型提出的歌曲等。16)(图3(一个))。梁和柱的SC成员使用OpenSees forceBeamColumn元素模拟框架。梁和柱之间的接口是使用双刚性elasticbeamcolumn建模元素,这是基于elasticbeamcolumn元素OpenSees非常大的轴向和弯曲刚度。差距模型连接打开和关闭行为,两个zeroLength接触元素与按压行为使用顶部和底部旋转点,见图3(一个)。槽钢是使用OpenSees elasticbeamcolumn元素建模。通道元件的一端连接到面板的边节点区,和其他节点连接到梁单元节点使用OpenSees zeroLength部分元素,与双向结合塑性属性和用来模拟摩擦力槽钢的合成。梁柱面板区建模使用八个刚性elasticbeamcolumn元素代表小组的边界地带,并与双线性弹性moment-rotation zeroLength旋转元素关系是用来模拟面板带剪切变形。此外,工党肌腱建模使用桁架元素初始应变。SC梁柱连接的时刻的比较与实验和数值模拟的相对旋转关系图所示3 (b)。SC连接模型的更多细节可以在[16]。

4.2。SSI的建模

土壤结构体系框架的模拟使用非线性温克勒地基梁(BNWF)模型(37)(图4(一)),它包括一系列zeroLength垂直方向的元素(q-z弹簧)基础下,水平方向的两个zeroLength元素(px和时距弹簧)。的zeroLengthq-z弹簧是用来模拟垂直和摇摆行为的基础。的zeroLengthpx和时距使用弹簧单元模拟土壤侧向被动行为和下面的摩擦行为基础,分别。见图4 (b)的力-位移关系q-z春天是使用OpenSees QzSimple2单轴材料的定义,表现出一种不对称的磁滞行为有一个很大的抗压能力和一个小抗拉能力抗压能力(5%),考虑到小张力强度的土壤。PxSimple1单轴材料的挤压滞后响应(图4 (c))分配px弹簧元件需要考虑的潜在的嵌入式地震作用下浅基础。见图4 (d),TxSimple1单轴材料是用于定义的本构关系时距弹簧元件占时的摩擦行为基础幻灯片。上面的三个单轴材料模型zeroLength春天元素最初提出的面包师et al。38),后来验证实验结果的浅基础Raychowdhury和哈钦森39]。

实现理想的摇摆刚度、基础下的垂直弹簧不等距的BNWF模型。按照建议强化和哈钦森37]和ATC-40 [40),垂直弹簧间距在中间段(基础长度的80%)被认为是基础长度的2%,而在两端的间距段假设基础长度的1%。最后段的刚度强度是中间段的五倍。

根据模态分析的结果,第一个振动周期RC-FB和SC-FB框架的0.630和0.629年代,分别。考虑SSI时,第一个振动周期增加到0.738和0.742年代RC-SSI SC-SSI框架,分别指示伸长SSI效应。钢筋混凝土的非线性动态分析和SC框架执行的瑞利阻尼比为5%第一和第三振动模式。每使用一个实际地震记录进行分析和一个额外的零加速度时程(20岁)准确计算残余位移。

5。地震地面运动

一组十个地震记录(表2)用于非线性动态分析。这些地震记录都far-fault地面运动记录在坚硬土壤网站和扩展到风险级别的设计地震(DBE)和最大地震”(MCE),分别。图5(一个)显示了5%阻尼的意思(米)反应谱扩展地面运动和陈纯7-02 DBE设计谱(28),以及一个标准偏差(σ)光谱的地面运动。图5 (b)比较普及的设计谱和个人地震谱推广普及。可以看出,选择地震记录的平均光谱匹配DBE设计反应谱很好。

6。抗震性能评估

图6展示了屋顶漂移时间历史的RC和SC帧不同的基地条件下LP89slc记录了普及和多国评价。发现,这两种情况下的固定基地和flexible-base最大屋顶飘RC和SC框架类似的普及和多国评价。

例如,当受到DBE-level LP89slc记录,最大的屋顶飘RC-FB SC-FB帧分别为0.872%和0.871%,分别和最大的屋顶飘RC-SSI SC-SSI帧分别为1.30%和1.20%,分别。此外,峰(即屋顶漂浮结构灵活的基地。,RC-SSI and SC-SSI frames) are higher than those of fixed base structures (i.e., RC-FB and SC-FB frames). The residual roof drifts are smaller for the SC frames compared with the RC frames, especially for the cases with flexible foundations. When the soil-structure interaction (SSI) is considered, the residual roof drift of the RC frame experiences a significant increase. However, the incremental effect of SSI on the residual drift of the SC frame is much less. For example, under the DBE-level LP89slc record, the residual roof drift ratios of the RC-FB and RC-SSI frames are 0.07% and 0.26%, respectively, and are 0.05% and 0.07% for the SC-FB and SC-SSI frames, respectively, as can be seen in Figures6(一)和6 (b)。类似的观察可以看到剩余屋顶漂移率的RC和SC帧MCE-level LP89slc记录,如图6 (c)和6 (d)。

研究土壤结构相互作用(SSI)效应的SC的本地行为框架,梁端的moment-relative旋转(米−θ_r)反应连接的位于左边的湾1楼3 SC-FB和SC-SSI框架如图所示7。本地连接响应如图7LP89slc记录下得到了普及和多国评价。发现连接SC-SSI框架的经验少旋转,因此消散地震能量比SC-FB框架的连接。例如,在DBE-level LP89slc地面运动,最大旋转和耗散能量的连接SC-FB帧rad 0.0046和4.6 kN·米,分别在SC-SSI帧的值连接rad 0.0025和2.0 kN·m,分别。这一现象可以解释,当土壤结构相互作用(SSI)被认为是,SC的基础框架将经历转动和滑动变形,因此变形要求上层建筑的减少。类似的观察可以根据MCE-level LP89slc地面运动,如图7 (b)。

图8说明了平均值的分布峰值的故事飘在每个结构下的高度普及,MCE-level记录。发现故事的峰值漂移在所有情况下都是在一楼。最大的高峰值RC-FB框架的故事飘下DBE MCE-level记录分别为1.28%和2.25%,分别在SC-FB帧的值略大,即。,分别为1.44%和2.50%。RC-FB框架相比,最大的高峰值RC-SSI框架的故事飘下提高67.19%和60% DBE MCE-level荷载,分别;和SC-SSI框架增加36.81%和37.6%,分别。此外,这是见过最大的高峰值的故事飘RC-SSI帧的略大于SC-SSI框架下的普及和MCE-level励磁。

图9剩余故事的情节平均值的分布飘在建筑物高度。最大的剩余价值故事漂移的RC和增加考虑SSI时,SC帧和最大残余故事漂移是第一个故事在所有情况下,类似于图的趋势8。DBE——和MCE-level荷载下,RC-SSI SC-SSI帧产生近均匀残余故事飘在第二个四楼。当受到普及和MCE-level作用,RC-FB和RC-SSI帧经验不可忽视的残余飘在大多数的故事。最大的剩余价值故事漂移RC-FB和RC-SSI帧率为0.18%和0.26%,分别根据db,分别为0.45%和0.61%,分别在mc。RC框架相比,SC帧(有或没有灵活的基础条件)经验显著降低残余故事漂移。最大的剩余故事飘SC-FB SC-SSI帧分别为0.11%和0.14%,分别根据db,他们分别是0.29%和0.32%,分别在mc。

图10情节规范化基底剪力SSI模型的基底剪力的需求,V_SSI,除以固定基本模型的基底剪力,V_神奇动物theRC-SSI和SC-SSI帧。看到,SSI倾向于降低基底剪力要求,和减少基底剪力RC-SSI框架更明显比SC-SSI框架。RC-SSI框架的平均值V_SSI/V_神奇动物下下降了31.15%和29.45% DBE-and MCE-level作用,分别;SC-SSI框架,他们分别是11.66%和7.80%。

非线性基础行为评估使用剩余基础沉降和残余基础旋转,这被认为是标准的基础伤害。表3介绍了损伤分类标准的基础上总结Nakano et al。41]。残余的定居点和旋转基金会可以估计使用BNWF模型合理的准确性,根据模型校准使用实验结果(42]。图11显示了残留基金会RC-SSI定居点和SC-SSI框架下DBE MCE-level励磁。是看到RC-SSI和SC-SSI帧经验没有基金会损害由于残余基金会定居点,因为残留基金会定居点都低于0.05米,这是没有伤害的极限值。RC-SSI框架相比,剩余的定居点SC-SSI框架在所有情况下都要低得多。当受到DBE MCE-level励磁,RC-SSI帧的平均剩余定居点是0.021米和0.032米,分别而SC-SSI帧的平均剩余清算也大幅度下降,即。,分别为0.005米和0.007米。

图12显示了残留基金会RC-SSI和SC-SSI帧的旋转DBE MCE-level励磁。的平均剩余基金会旋转RC-SSI框架是低于极限值的db下没有损伤。在mc,然而,平均残余基础的旋转RC-SSI rad 0.007帧,不超过允许的限度损害。多国评价风险水平,6地面运动引起残余旋转超过极限值的基础没有损伤,和一个地面运动引起残余基金会旋转超过极限值的光损伤。一般而言,残余基金会SC-SSI框架的旋转小于RC-SSI的框架。DBE——和MCE-level荷载下,残余旋转SC-SSI框架的基础低于极限值的意思是没有伤害的水平。然而,有四个地震记录的多国评价危险程度,导致残余旋转大于1/150 rad基础,表明系统遭受轻微损伤的基础。

7所示。摘要和结论

本研究评估的SSI效应的性能以自我为中心的(SC)混凝土框架下DBE MCE-level励磁。通过非线性动态分析、地震反应的一组4-story SC和钢筋混凝土框架,使用和不灵活的基础,比较研究。根据分析结果,结论可以概括如下:(1)地震分析结果显示,SC和RC框架(固定和柔性基础条件)也有类似的故事峰值漂移的要求。尤其是SC-FB框架略小的最大故事漂移的要求比RC-FB框架下DBE MCE-level励磁。考虑SSI时,峰值故事漂移RC-SSI和SC-SSI框架的需求增加,和SC-SSI框架略大峰值比RC-SSI框架故事漂移的要求。(2)受益于他们的重定位能力,SC帧体验显著降低残余漂移比钢筋混凝土框架的要求。与固定的基础构架同行相比,峰值残余漂移率的rad RC-SSI框架增加了44.4%至0.26%,以35.6%对0.61%的rad DBE MCE-level荷载,分别;的残余漂移率峰值SC-SSI rad框架增加了27.3%至0.14%,10.3%到0.32%的rad的普及,MCE-level作用,分别。(3)固定基础构架同行相比,的基底剪力要求RC-SSI和SC-SSI框架可以减少到30%和10%,分别由于SSI效应。(4)当土壤结构相互作用被认为是,发现SC-SSI框架支撑的连接旋转和消散的能量小于SC-FB框架的连接。(5)一般而言,残余基金会SC-SSI框架的变形更小比RC-SSI框架。剩余基金会定居点RC-SSI和SC-SSI框架的容许极限内没有伤害在所有地震地面运动。平均残余基金会SC-SSI框架的旋转低于没有破坏极限值下DBE MCE-level荷载,而残余基础RC-SSI的旋转坐标系下多国评价大于没有损伤的容许极限。

值得注意的是,这项研究的结论是有限的上下文中选择的框架和基础。进一步的调查考虑高结构,不同的基础,土壤类型需要得到更广义的结果的自动定心的预应力混凝土框架。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

确认

作者要感谢中国国家自然科学基金的支持下批准号下51708172,江苏省自然科学基金批准号BK20170890,该项目由中国博士后科学基金会资助下批准号2019 m651674。

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