一种摇摆型自复位独立基础的地震响应简化计算方法技术

本发明专利技术属于土与结构相互作用地震反应分析技术领域，公开了一种摇摆型自复位独立基础的地震响应简化计算方法，首先获取地基土体的基本力学性能参数、独立基础的尺寸和竖向重力荷载设计值，计算地基摇摆刚度、竖向承载力和基础摇摆复位系数；然后建立基底弯矩—基础转角关系的双线性骨架曲线和卸载—再加载滞回规则，进而确立基底弯矩—基础转角恢复力模型；最后列出基础摇摆运动的动力控制方程，计算基础在地震作用下的动力摇摆响应。本发明专利技术为新型摇摆自复位独立基础结构系统的地震响应分析提供了一个高效、便捷的计算工具。便捷的计算工具。便捷的计算工具。

【技术实现步骤摘要】
一种摇摆型自复位独立基础的地震响应简化计算方法


[0001]本专利技术属于土与结构相互作用地震反应分析
，具体涉及一种摇摆型自复位独立基础的地震响应简化计算方法。

技术介绍

[0002]传统抗震设计要求地基具备足够承载力以满足稳定性与变形要求，通过上部结构的延性变形来消耗地震能量。但由于强震幅值大、持续时间长，结构中累积的损伤程度重而可能导致其在震后不可修或存在稳定性等安全隐患。
[0003]摇摆型自复位独立基础结构系统是以基础摇摆为主导运动模式的新型震后可恢复功能结构系统。这类系统利用基础摇摆过程中的提离与地基土塑性变形限制地基对基础底部的反力，从而减小上部结构的损伤；并借助结构自重使系统回复原位，将结构震后残余位移控制在一个较小的范围内，降低地震损失。
[0004]为设计合理的摇摆型自复位独立基础结构系统，需要进行地震响应分析。常规做法是对整个结构、基础、地基系统进行有限元建模；但由于涉及结构与地基土弹塑性变形、重力二阶效应、基础提离等非线性行为，对工程人员来说是一个很大的挑战。美国建筑抗震设计标准提供了一种三折线骨架曲线用以描述摇摆基础在单轴静力荷载作用下的基底弯矩—基础转角关系，但因其缺少卸载—再加载关系，无法用于地震响应计算。因此，有必要提出摇摆型自复位独立基础的地震响应简化计算方法，为工程人员提供一个高效、便捷的地震响应分析工具。
[0005]综上所述，现有技术存在的问题为：摇摆基础结构系统地震响应分析亟需简化计算方法以便于工程人员对此类结构进行抗震设计，而目前建筑抗震设计标准采用的摇摆基础响应简化计算方法仅适用于单轴静力加载工况，无法考虑地震引起的真实动态响应，因此不能应用于摇摆基础结构系统地震响应分析。
[0006]现有技术中解决这一技术问题的技术方案：采用弹性弹簧与线性阻尼壶的组合系统近似考虑基础摇摆响应的非线性行为与耗能，包括两种方法。方法一采用多折线弹性弹簧并联线性阻尼壶系统；方法二采用线性弹簧串联一个由线性弹簧与线性阻尼壶并联组成的系统。这两种计算方法本质上将摇摆基础响应看成是一种非线性弹性行为，虽然可以通过优化阻尼系数使计算摇摆响应幅值接近真实情况，但无法得到结构抗震设计所需的基础摇摆残余转角，也无法反映基础摇摆响应的物理机制。实际上，在基础摇摆运动过程中，位于基础两端下部土体的塑性压缩变形持续累积，导致摇摆滞回曲线的卸载刚度与再加载刚度随转角幅值持续变化。因此，采用弹性计算方法无法得到地基土塑性变形引起的基础残余转角，也不能得到基础摇摆运动的实际滞回曲线。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是为方便工程人员对新型摇摆自复位独立基础结构系统进行地震响应分析，提供了一种摇摆型自复位独立基础的地震响应简化计算方法。
[0008]本专利技术是这样实现的，一种考虑压剪耦合的温克尔黏土地基地震反应计算方法，实现步骤包括：
[0009](1)获取地基土体的基本力学性能参数，包括密度ρ、剪切模量G、泊松比ν、内摩擦角和粘聚力c，给定独立基础的边长B和竖向重力荷载设计值N；
[0010](2)根据第(1)步获得的参数计算地基摇摆刚度K
R
、竖向承载力q
u
和基础摇摆复位系数F
sc
；
[0011](3)根据第(2)步得到的地基刚度和竖向承载力，建立基底弯矩M和基础转角θ关系的双线性骨架曲线；
[0012](4)确定M—θ关系的卸载—再加载滞回规则，结合第(3)步的双线性骨架曲线，建立M—θ恢复力模型；
[0013](5)根据第(4)步得到的M—θ恢复力模型，列出基础摇摆运动的动力控制方程，计算基础在地震作用下的动力摇摆响应。
[0014]进一步地，第(2)步所述的地基摇摆刚度K
R
、竖向承载力q
u
可根据地基土参数和基础尺寸查地基基础设计手册得到，基础摇摆复位系数F
sc
计算如公式(1)：
[0015][0016]进一步地，第(3)步所述的基底弯矩M和基础转角θ关系的双线性骨架曲线计算公式如公式(2)：
[0017][0018]进一步地，第(4)步所述的M—θ关系的卸载—再加载滞回规则如下：卸载、再加载均采用基于初始刚度k＝3/5K
R
的线性关系假设，当荷载反向且仅当该反向点位于M—θ骨架曲线平台段时，对刚度k进行更新,计算如公式(3)：
[0019][0020]进一步地，第(5)步所述的基础摇摆运动的动力控制方程如公式(4)：
[0021][0022]公式(4)中J为基础绕其中心水平转轴的转动惯量，
ü
g
为地震地表面水平加速度，M(θ)为M—θ恢复力模型；采用纽马克积分法求解该动力方程即得基础在地震作用下的动力摇摆响应θ。
[0023]综上所述，本专利技术的优点及积极效果为：
[0024](1)目前建筑抗震设计标准采用的摇摆基础响应简化计算方法仅适用于单轴静力加载工况，无法考虑地震引起的真实动态响应，因此不能应用于摇摆基础结构系统地震响应分析。本专利技术提出适用于任意加载路径的M—θ恢复力模型，使得摇摆基础响应简化计算能够应用于真实动态情况。
[0025](2)本专利技术通过建立一套完整的基础摇摆骨架曲线和卸载—再加载滞回规则来描述摇摆卸载刚度与再加载刚度随转角幅值持续变化的实际情况。相比现有基于线性或非线性粘弹性模型而仅能估计峰值转角需求的简化计算方法，还能得到结构抗震设计所需的基础摇摆残余转角，很好地反映基础摇摆响应的物理机制。
附图说明
[0026]图1为本专利技术的计算步骤图。
[0027]图2为本专利技术计算结果与精细有限元计算结果对比图。
具体实施方式
[0028]为了使本专利技术所要解决的问题、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图及具体实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体施例仅用于解释本专利技术，并不用于限定本专利技术的应用。
[0029]应用实例：
[0030]根据图1所示摇摆型自复位独立基础的地震响应简化计算方法的步骤，对受水平循环往复地震作用的独立基础在两种黏土场地地基条件的摇摆响应进行分析，场地土参数、基础尺寸、地基摇摆刚度K
R
、竖向承载力q
u
和基础摇摆复位系数F
sc
等参数如表1所示。
[0031]表1场地土、基础以及地基参数
[0032][0033]采用位移控制循环加载，可以求得基础摇摆响应，与ABAQUS精细有限元计算结果进行对比，该方法计算结果与精细有限元准确结果基本吻合，如图2所示。相较于精细有限元建模计算，本专利技术在保证计算精度的同时极大降低了建模难度，计算效率也得到了显著提高。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种摇摆型自复位独立基础的地震响应简化计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)获取地基土体的基本力学性能参数，包括密度ρ、剪切模量G、泊松比ν、内摩擦角和粘聚力c，给定独立基础的边长B和竖向重力荷载设计值N；(2)根据第(1)步获得的参数计算地基摇摆刚度K
R
、竖向承载力q
u
和基础摇摆复位系数F
sc
；(3)根据第(2)步得到的地基刚度和竖向承载力，建立基底弯矩M和基础转角θ关系的双线性骨架曲线；(4)确定M—θ关系的卸载—再加载滞回规则，结合第(3)步的双线性骨架曲线，建立M—θ恢复力模型；(5)根据第(4)步得到的M—θ恢复力模型，列出基础摇摆运动的动力控制方程，计算基础在地震作用下的动力摇摆响应。2.根据权利要求1中所述的摇摆型自复位独立基础的地震响应简化计算方法，其特征在于：第(2)步所述的地基摇摆刚度K
R
、竖向承载力q
u
...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕洋，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：