P-Delta效应对基础隆起结构地震反应的影响外文翻译资料

P-Delta效应对基础隆起结构地震反应的影响

摘要

结构的地震反应通常在地基与土壤（固定在土壤基底）牢固结合的假设下进行分析。这样的分析经常能预计超出由于重力荷载引起的可用抗倾覆力矩的基础倾覆力矩，这意味着在地震期间，基础垫的一部分或一些单独的柱脚（视情况而定）将间歇地隆起。此外， P-△现象是影响基础隆起结构的响应的另一个有价值的参数。因此，研究隆起对包含 P-△效应的结构的地震反应的影响是一个重要的课题。在本文中，对考虑非线性材料行为的情况下使用有限元方法进行了调查。所使用的计算机程序已经结合了基础隆起，而不是文献中可用的结构模型。结构的响应在四种情况下进行比较：1-基础隆起，2-没有基础隆起，3-包括 P-△效应和4-不包括 P-△效应。还进行了一些额外的参数研究，例如结构的长细比，土壤的弹性模量和双向输入地面运动。这些研究表明隆起基础对结构的抗震性能的重要性，以及基础隆起对计算结构地震响应的有益效果。此外，p-delta效应是引起四种情况之间的差异的主要原因。

关键词

►使用非线性材料是在地震激励期间是更现实的方法。 ►土壤和基础界面单元建模。 ►包括p-delta效应。 ►使用更真实的土壤，基础和结构模型。

1.介绍

考虑到与土壤有关的情况，所以主要研究动态土壤 - 结构相互作用问题。然而，已经观察到，在强地震期间的许多结构系统已经基础隆起[2]; [4]; [5]; [13]。这种观察促使许多研究去考虑土壤和结构之间的非线性相互作用的这个特定的方面。参考了单个刚体或刚体的组件后这些现象被广泛研究，以便精确地模拟一些现有的结构，例如柱，方尖碑和尖塔。在这些情况下，通过围绕其底部一个边缘的结构转动产生隆起。虽然刚性体或刚性体的组件提供了倾覆结构的突出例子，但是大多数工程结构是柔性的，并且经常出现基础隆起。第一个研究是由Muto等进行的实验研究。关于集中质量结构的动态响应，其在固定基本状态下表现为单自由度系统 [9]。后来，Meek [14]考虑了相同的结构模型，关于小位移的动力学行为分析，他得出结论，倾翻导致结构的最大横向变形的适量减少。 Meek还对支撑核心多层建筑进行了其他研究[15]，发现倾翻大大降低了基础剪切和力矩，使得更经济的设计成为可能。

Yim和Chopra [16]稍后给出了另一个有价值的贡献，研究了基础隆起对柔性结构的地震行为的影响。他们考虑了典型的集中质量结构模型，在其固定基础条件下，具有考虑到地震烈度，几何参数，土壤柔度和p-delta;效应对提升结构响应的影响的单一自由度。他们观察到，除了非常坚硬的结构之外，隆起导致结构变形和力的减少。后来，同一作者[6]开发了简化的程序来考虑基础垫隆起对计算结构的地震反应的有益效果，结构在其固定基础条件下基本上作为单自由度系统作用。多层建筑简化模型的动态行为的第一次解析性分析，由弹性基础支撑并允许隆起，是由于Psycharis [17]完成的。该建筑被模型化为一个自由度的剪切型框架，而基础由一个粘性阻尼双弹簧模型表示，允许隆起。研究表明，允许隆起的结构的动态特性可能与固定基础结构的响应非常不同。随后，他进行了一项参数研究，以评估基础隆起对单个自由度结构在弹性土壤的谐波激发和小位移的最大响应上的影响[7]。最近Wang和Cloud [8]考虑了一种结合了隆起和滑动机制的结构，使用可能的有益效果作为地震隔离装置。结果表明，在具有隆起和滑动机构的结构中，由于补充的能量耗散，存在有利的效果。最后Oliveto et al[1]考虑了具有基础隆起和大位移的结构模型的动力学特性。他们证实线性化模型通常低估了结构响应，有时显着地低估了结构响应。与先前在文献中报道的相反，结构响应总是由隆起减轻，即使在非常坚硬的系统的情况下。 Azuhatta et al [18]提出了简化的方法来预测具有屈服基板的摇摆结构系统，并且这些方法通过振动台试验来验证。

浅层地基在横向循环荷载下的响应通常是非线性的，包括摇摆，滑移和沉降，并且还可能涉及基础隆起和土壤屈服。与桩基础不同，非线性Winkler模型没有广泛用于循环土 - 基础 - 结构相互作用（SFSI）的建模问题。尽管如此，它具有一些重要的特征，使其比传统的有限元方法更具吸引力，并且是FEMA 356设计指南中推荐的方法。本文[19]探讨了FEMA 356非线性Winkler建模方法的优势和局限性，用于预测各种最近的SFSI实验的循环响应。研究结果表明，该模型能够满意地预测除永久水平位移以外的所有不同的循环响应量[19]。

介绍了Winkler土壤模型中刚性基础的力矩 - 转动响应的分析方程[20]。导出隆起屈服条件的方程，并将其与隆起和屈服条件的方程相结合，以便能够定义整个静态力矩 - 转动响应。从开发的模型中获得的结果表明，安全系数的倒数chi;，对力矩 - 转动曲线有显着影响。 chi;= 0.5的值不仅确定是否首先发生隆起或屈服，而且还定义了基础的最大力矩 - 转动响应的条件。基于推导的方程开发Winkler模型，并用于分析TRISEE实验。当使用来自静态板载荷 - 变形测试的卸载 - 重载刚度来估计路基模量时，计算的力矩 - 转动响应与实验结果刚好一致。与基于FEMA 273/274文献的推荐NEHRP指南的比较显示，有效剪切模量的值的选择显着影响比较[20]。

在大振幅地震引起的载荷作用下，浅层地基的非特性可以通过基础下产生土体的机理来消除地震能量[21]。此外，基础隆起可能会使土壤 - 地基 - 结构系统的周期偏离大多数地震的破坏性能量。然而，这种屈服和隆起可能导致过度的瞬时和永久变形（沉降，摇摆和滑动）。因此，在基于性能的地震工程（PBEE）实践中可以实现这些优点之前，需要考虑基础非线性和隆起的建模过程。本文采用梁上非线性Winkler基础（BNWF）模拟方法建模浅基础结构系统，其中地震诱发摇摆在其响应中占主导地位。数值计算结果表明，考虑到模型和土壤性质的适当选择，可以获得基于非线性Winkler的方法和力矩转动，沉降 - 转动和剪切 - 滑移位移之间的实验响应的合理比较[21]。

以前的研究集中于简化模型，而不是真实模型。 他们使用分析模型，并用结构的理想化表示替代了单层或多层建筑。 他们利用简化模型来制定管理分析方程。除此之外，这个考虑非线性材料行为特性和p-delta;效应的主题从未被精确地研究过; 这就是为什么我们的调查要注意以下几点[3]：

1使用非线性材料是在地震激励期间更现实的方法。

2土壤和基础之间的界面的单元建模。

3 包括p-delta效应。

4使用更真实的土壤，基础和结构模型。

因此，这项研究比以前的简化模型更真实。

2.参考模型

在本文中，研究了基础隆起对建筑物地震反应的影响，包括 P-△效应。 使用ANSYS8.1软件进行研究[11]。 这个软件由于它能够建模这种课题而被使用。

参考实例是10层钢框架，其具有在两个方向（x，y）上的跨度，以其基础和地基下的土壤进行建模。 假设在两个方向上操作单个托架可以准确地对长细比建筑进行建模。 跨度的宽度和层的高度分别假定为4m和3m（图1）。 根据伊朗装载标准，恒载假定为200kg / m 2，恒载为600kg / m 2。 此外，梁和柱是通过考虑伊朗标准设计的。 梁和梁框架的几何特性如表1所示。

Fig. 1. 参考示例.

Table 1.

基础由简单的混凝土制成，宽5米，厚1米，方形基础。考虑到没有钢筋的基础是为了具有可接受的建模简单性，值得注意的是，包括这种钢筋对地震响应的影响可以忽略不计。在这项研究中隐含的是假设结构下面的土壤没有质量。另外，通过尝试和错误程序发现土壤模型的宽度。接触元件已用于隆起解释。 它有2个节点和3个自由度（ux，uy和uz）。 此外，它具有抵抗压力和剪切应力的能力，但不能承受拉伸应力。图2说明了这个单元中的力 - 位移关系。接触元件中的KN和KS分别是土壤的弹性和剪切模量。 考虑足够的摩擦系数，不允许结构滑动。 通过敏感性分析已经发现接触元件数为50个，其刚度应为7times;10 6 kg / m 3

Fig. 2. 接触元件中的力 - 位移关系。

土壤单元在x，y和z方向的尺寸假定为2米，因此7400单元用于土壤建模。

梁单元用于梁和柱的建模; 它在每个节点（ux，uy，uz，theta;x，theta;y和theta;z）中具有6个自由度。 beam4和24分别以相同的顺序用于线性和非线性特性。土壤和基础由solid45建模，适用于土壤和地基的表征。 该单元在每个节点（ux，uy和uz）中具有8个节点和3个自由度。

钢的弹塑性模型假设是根据Von Mises标准假定双线性各向同性硬化，因此钢的特性由应力 - 应变双线性曲线（图3）表示。 在双线性曲线中，初始部分的斜率等于材料的弹性模量（E = E1），屈服应力sigma;y= 2400kg / cm2，次级部分的斜率取初始弹性模量的2％（E2 = 0.02E1 ）。

Fig. 3. 双线性各向同性硬化中的应力 - 应变关系

选择Drucker-Prager模型用于土和混凝土的非线性特性（图4）。 该模型是修正的Von Mises模型，该模型的输入数据是摩擦角（phi;）和内聚力值（c）。 表2分别给出了本研究中使用的混凝土和土壤的fcrsquo;和ftrsquo;。 具体作为MathML源函数的c和phi;的确定用下式表示：

其中fcrsquo;是混凝土的抗压强度（300 kg / cm2）; ftrsquo;是混凝土的抗拉强度（300 kg / cm2）。

.

Fig. 4Drucker-Prager模型。

Table 2.材料特性

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