一种掉层框架结构的抗震性能分析方法技术

本发明专利技术公开了一种掉层框架结构的抗震性能分析方法，包括以下步骤：步骤1：建立位于坡地上的掉层框架结构模型，步骤2：以实现频谱特性的一致性为原则，选取地震波；步骤3：下接地层柱底输入所选取的地震波的地震动加速度时程，上接地层柱底输入λ倍所选取的地震波的地震动加速度时程，其中，λ为上地层的水平地震动放大系数；步骤4：计算抗震性能指标，所述抗震性能指标包括：最大层间位移角、上接地层柱的剪力、杆端延性系数比以及杆端出铰率。本发明专利技术解决了现有技术中高估掉层框架结构抗震性能的技术问题，修正掉层框架结构抗震性能分析的误差，得到更符合实际抗震需求的抗震性能指标。

Seismic performance analysis method for frame structure with falling floor

The invention discloses a method for seismic performance analysis of a falling floor frame structure, which comprises the following steps: step 1: establishing a falling floor frame structure model located on a slope; step 2: selecting seismic waves on the principle of realizing the consistency of spectral characteristics; step 3: adding ground motions of selected seismic waves at the bottom of the column of the lower grounding layer Velocity time history, the seismic acceleration time history of the selected seismic wave input lambda times at the bottom of the column of the upper grounding layer, where lambda is the horizontal seismic amplification factor of the upper stratum; Step 4: Compute the seismic performance indicators, the seismic performance indicators include: the maximum inter-story displacement angle, the shear force of the upper grounding layer column, bar ductility coefficient ratio and so on. The hinge yield of the rod ends. The invention solves the technical problem of overestimating the aseismic performance of the frame structure with falling stories in the prior art, corrects the error of the aseismic performance analysis of the frame structure with falling stories, and obtains the aseismic performance index which conforms to the actual aseismic demand.

【技术实现步骤摘要】
一种掉层框架结构的抗震性能分析方法
本专利技术属于山地建筑
，尤其涉及一种掉层框架结构的抗震性能分析方法。
技术介绍
山地建筑的接地形态是山地建筑与山地地形之间关系的表达与概括，不仅决定了建筑的修建对山体表面的改变程度，同时还决定了建筑自身的结构形成。在山地建筑中掉层框架结构作为常见的建筑形式被广泛应用，该结构依山而建，能很好的适应地形，可以达到理想的建筑效果。掉层框架结构不同于一般的普通框架结构，本质区别在于掉层框架结构存在两个不同的接地层，即其底界面放置在不同标高的场地基面上，且上、下底界面相差高度为建筑的层高或者层高的倍数，掉层部分将作为正常的使用空间，避免了开挖带来的巨大工程量以及滑坡等灾害。对于掉层部分的接坡方式目前有两种普遍做法：1)设置与主体结构分离的挡土墙，抗震性能分析模型中不考虑挡土墙的影响；2)设置与主体结构相连的挡土墙，即通过锚入基岩的锚杆使挡土墙与其后的土体及基岩形成一个整体，这样将完全约束住掉层部分接坡处的侧向位移，抗震性能分析模型中可以用简化的侧向支撑代替挡土墙作用。对应山地建筑结构而言，抗震性能分析最理想的计算模型为考虑场地(地基)与主体结构相互作用的精细化模型，但由于涉及因素复杂以及计算参数敏感，在实际的结构设计中无法应用。杨佑发等曾采用ANSYS软件建立了平面考虑场地土与多层接地框架结构相互作用的分析模型，结果表明上部结构的抗震性能受地基影响显著。然而，目前在山地建筑结构的研究中，掉层框架结构抗震性能分析模型的简化处理方式多与普通框架结构相同，即在接地处均设置为固端、上部构件划分为杆单元，地震动在上、下接地层进行一致输入，这样的简化方式没有考虑到上接地层对地震动的放大效应，导致对掉层框架结构抗震能力的高估，并且忽视了掉层部分的损伤程度，对于掉层框架结构的抗震性能设计极为不利，设计出的掉层框架结构的抗震能力不足以应对实际的地震动，因此带来了极大的安全隐患。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术提供一种掉层框架结构的抗震性能分析方法，解决现有技术中高估掉层框架结构抗震性能的技术问题，修正掉层框架结构抗震性能分析的误差，得到更符合实际抗震需求的抗震性能指标。为解决上述技术问题，本专利技术的采用的技术方案：步骤1：建立位于坡地上的掉层框架结构模型，并且掉层框架结构模型的上接地层柱、下接地层柱分别与坡地的上地层、下地层固接，掉层框架结构中的梁、柱均采用杆系模型，即梁与柱均作为杆件，并且梁柱节点均为固接；步骤2：以实现频谱特性的一致性为原则，选取地震波；步骤3：下接地层柱底输入所选取的地震波的地震动加速度时程，上接地层柱底输入λ倍所选取的地震波的地震动加速度时程，其中，λ为上地层的水平地震动放大系数；步骤4：计算抗震性能指标。优选的，地震波选取方案为：根据地震加速度反应谱的特征周期以及结构的第一自振周期进行双指标选择。优选的，所述坡地的上地层地基为土质地层，水平地震动放大系数λ按如下方式确定：步骤101：建立所述坡地的坡地地形计算模型，所述坡地地形计算模型的坡高为H、坡降为H/L、远置边界为D1，其中，L为坡宽；所述坡地地形计算模型的地表层为土质层；采用网格对所述坡地地形计算模型的地表层进行有限元划分；步骤201：建立以D2为远置边界的平地场计算模型，所述平地场计算模型的地表层为土质层；所述平地场计算模型的土质层物理参数与坡地地形计算模型的土质层物理参数相同；步骤301：选取坡地地形计算模型中的m个网格节点作为观测点，所述观测点分布的位置包括坡地地形计算模型的上地层；选取平地场计算模型的地表层上任意一点作为目标点；步骤401：计算各观测点以及目标点的相对加速度反应，按如下方式：输入水平地震波，并采用Newmark-β数值分析法按如下公式计算：其中，M、C和K分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；和u(t)分别为相对加速度反应、相对速度反应和相对位移反应；t表示时间变量；为输入的水平地震波的加速度；步骤501：计算各观测点以及目标点的绝对加速度时程，均按如下公式：其中，表示绝对加速度时程；步骤601：将各观测点以及目标点的绝对加速度时程变换为对应的反应谱；其中，第i个观测点的反应谱表示为Yi(T)，i∈{1,2,...,m}；目标点的反应谱表示为Y0(T)；T表示结构自振周期；步骤701：分别计算各观测点相对于目标点的谱比值，以对应的谱比值作为对应观测点的水平地震动放大系数，按如下方式计算：以各观测点的反应谱最大值比上目标点的反应谱最大值作为谱比值；其中，第i个观测点的谱比值优选的，杆端延性系数比R为杆件端部截面的延性需求μDemand与杆件端部截面的延性能力μAbility之比：R＝μDemand/μAbility；其中，延性能力μAbility为梁端或柱端进入弹塑性后，其端部截面允许的最大曲率ku与屈服曲率ky之比：μAbility＝ku/ky；延性需求μDemand为梁端或柱端进入弹塑性后，其端部截面出现的最大曲率km与屈服曲率ky之比：μDemand＝km/ky。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术在分析掉层框架结构的抗震性能时，考虑了坡地上地层对地震动的放大作用，因此在分别向掉层框架结构的上接地层柱底、下接底层柱底输入地震动时，采用了差别化输入，与现有技术中的一致性输入不同，更加符合实际情况，避免了高估掉层框架结构抗震性能而导致实际抗震能力不足造成的安全隐患。2、与岩质层对地震动放大的影响相比，土质层对地震动的放大效应要显著得多，本专利技术中将坡地的地表层设为土质层，从而针对性的将掉层框架结构置于常见的土质地基上的情况进行分析，从而保证了位于土质层地基上的掉层框架结构的安全性。3、本专利技术采用有限元建模以及数值分析来确定出坡地上地层的水平地震动放大系数，本专利技术填补了针对非岩质坡地水平地震动放大系数的空白，为坡地建筑的抗震性能分析提供更加合理的参数。4、本专利技术以最大层间位移角、杆端出铰率、上接地层柱的剪力以及杆端延性系数比作为量化指标，对考虑上地层地震动放大影响下的掉层框架结构的破坏程度进行定量分析。附图说明图1是本具体实施方式中掉层框架结构模型的结构示意图；图2是按7度罕遇地震调幅后的平均反应谱与设计反应谱的对比结果图；图3是不考虑上地层地震动放大与考虑上地层地震动放大下掉层框架结构的损伤分布情况对比分析图。具体实施方式一种掉层框架结构的抗震性能分析方法，包括以下步骤：步骤1：建立位于坡地2上的掉层框架结构模型1，并且掉层框架结构模型1的上接地层柱底端11、下接地层柱底端12均设置为固端，掉层框架结构中梁、柱均采用杆系模型，即梁与柱均作为杆件，并且梁柱节点均为固接；如图1所示，本具体实施方式中的掉层框架结构为掉3层1跨结构，简称为“C3K1”，设防烈度为7度(0.1g)，总层数为7层，上接地层为从下至上的第4层，上接地层与下接地层之间相差3层，故名“掉3层”，两根下接地层柱之间的部分叫做一跨(若有三根下接地层柱则形成两跨，以此类推)，掉层部分与挡土墙分离，掉层部分的总高度为9.3m，即坡高H＝9.3m，由于坡地2设置了挡土墙，挡墙坡角为90度，则坡降H/L≥1；所述坡地的上地层地基为土质地层，地面粗糙度为B类，土质中硬，类别为II类，对应特征周期0.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种掉层框架结构的抗震性能分析方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：建立位于坡地上的掉层框架结构模型，并且掉层框架结构模型的上接地层柱、下接地层柱分别与坡地的上地层、下地层固接，掉层框架结构中的梁、柱均采用杆系模型，即梁与柱均作为杆件，并且梁柱节点均为固接；步骤2：以实现频谱特性的一致性为原则，选取地震波；步骤3：下接地层柱底输入所选取的地震波的地震动加速度时程，上接地层柱底输入λ倍所选取的地震波的地震动加速度时程，其中，λ为上地层的水平地震动放大系数；步骤4：计算抗震性能指标。

【技术特征摘要】
1.一种掉层框架结构的抗震性能分析方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：建立位于坡地上的掉层框架结构模型，并且掉层框架结构模型的上接地层柱、下接地层柱分别与坡地的上地层、下地层固接，掉层框架结构中的梁、柱均采用杆系模型，即梁与柱均作为杆件，并且梁柱节点均为固接；步骤2：以实现频谱特性的一致性为原则，选取地震波；步骤3：下接地层柱底输入所选取的地震波的地震动加速度时程，上接地层柱底输入λ倍所选取的地震波的地震动加速度时程，其中，λ为上地层的水平地震动放大系数；步骤4：计算抗震性能指标。2.根据权利要求1所述的掉层框架结构的抗震性能分析方法，其特征在于：地震波选取方案为：根据地震加速度反应谱的特征周期以及掉层框架结构的第一自振周期进行双指标选择。3.根据权利要求1所述的掉层框架结构的抗震性能分析方法，其特征在于：所述坡地的地表层为土质地层，水平地震动放大系数λ按如下方式确定：步骤101：建立所述坡地的坡地地形计算模型，所述坡地地形计算模型的坡高为H、坡降为H/L、远置边界为D1，其中，L为坡宽；所述坡地地形计算模型的地表层为土质层；采用网格对所述坡地地形计算模型的地表层进行有限元划分；步骤201：建立以D2为远置边界的平地场计算模型，所述平地场计算模型的地表层为土质层；所述平地场计算模型的土质层物理参数与坡地地形计算模型的土质层物理参数相同；步骤301：选取坡地地形计算模型中的m个网格节点作为观测点，所述观测点分布的位置包括坡地地形计算模型的上地层；选取平地场计算模型的地表层上任意一点作为目标点；步骤401：计算各观测点以及目标点的相对加速度反应，按如下方式：输入水平地震波，并采用Newmark-β数值分析法按如下公式计算：其中，M、C和K分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；和u(t)分别为相对加速度反应、相对速度反应和相对位移反应；t表示时间变量；为输入的水平地震波的加速度；步骤501：计算各观测点以及目标点的绝对加速度时程，均按如下公式：其中，表示绝对加速度时程；步骤601：将各观测点以及目标点的绝对加速度时程变换为对应的反应谱；其中，第i个观测点的反应谱表示为Yi(T)，i∈{1,2,...,m}；目标点的反应谱表示为Y0(T)；T表示结构自振周期；步骤701：分别计算各观测点相对于目标点的谱比值，以对应的谱比值作为对应观测点的水平地震动放大系数，按如下方式计算：以各观测点的反应谱最大值比上目标点的反应谱最大值作为谱比值；其中，第i个观测点的谱比值4.根据权利要求3所述的掉层框架结构的抗震性能分析方法，其特征在于：采用如下土质层物理参数：弹性模量为3×108N/m2，密度为1800kg/m3，泊松比为0.2，阻尼比为0.05；水平地震波采用美国记录的27条实际基岩地震...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨佑发，凌玲，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50