一种相邻建筑碰撞系统地震响应量纲分析方法技术方案

一种相邻建筑碰撞系统地震响应量纲分析方法，提出了内禀长度尺度，包括：采用改进的线性粘弹性接触单元模型模拟碰撞过程，以MP脉冲表征近断层地震动，得到了地震作用下相邻建筑的动力方程，并考虑了结构

【技术实现步骤摘要】
一种相邻建筑碰撞系统地震响应量纲分析方法


[0001]本专利技术涉及一种相邻建筑碰撞系统地震响应量纲分析新方法，适用于建筑工程抗震


技术介绍

[0002]地震动记录之间通常存在显著差异，如近断层地震动记录的垂直断层分量通常含有显著速度脉冲，而平行断层分量则没有速度脉冲。地震动记录的差异性导致地震响应具有较大的离散度。而且，随着计算机性能的大幅提升，结构线性和非线性响应解的获取越来越便捷，研究人员的任务已经变成如何正确合理地呈现大量的结构响应解，并解释其蕴含的规律。
[0003]近断层地震动工程特性和结构效应研究是近年来地震工程领域的重要课题。大量地震灾害调查表明，相邻建筑之间的碰撞是造成结构损坏的重要原因之一。为了减少因结构碰撞现象带来的损失，进行相邻建筑物间碰撞的动力响应分析是必不可少的，这也是防御地震灾害的需求。进行相邻建筑物间地震碰撞破坏研究具有很高的理论意义和工程应用价值。由于相邻建筑碰撞问题的高度非线性，大量影响参数导致了许多研究成果的片面性。量纲分析方法可有效减少相邻建筑碰撞问题中的参数复杂性，用更少的无量纲参数表征地震作用下建筑结构的碰撞响应规律，为多个建筑物组成的结构群相互作用问题提供基础理论。

技术实现思路

[0004]本方法提出代表结构静位移的内禀长度尺度进行近断层地震动作用下相邻建筑碰撞系统的量纲响应分析。内禀长度尺度是与结构相关参数且具有明确的物理意义。推导了多自由度相邻非弹性建筑碰撞系统的动力方程，并考虑了结构
‑
土
‑
结构相互作用的影响，揭示了碰撞系统各参数的碰撞响应影响规律。建立的结构抗震分析量纲分析新方法可减小地震响应的离散度，发现完全自相似规律。
[0005]本专利技术采用的一种近断层地震动作用下相邻建筑碰撞系统量纲响应分析新方法，包括以下步骤：
[0006](1)提出了用于地震工程领域量纲分析的内禀长度尺度，其与结构特性相关且具有明确的物理意义；
[0007](2)建立了多自由度相邻非弹性建筑碰撞系统的动力方程，以改进的Kelvin接触单元模型模拟碰撞过程，用MP脉冲表征近断层地震动，并考虑了结构
‑
土
‑
结构相互作用的影响；
[0008](3)基于内禀长度尺度，对相邻建筑碰撞系统进行量纲分析，研究参数对碰撞响应的影响规律。
[0009]具体步骤如下：
[0010]步骤(1)：激励能量长度尺度的构造参数都来源于脉冲激励，是一个非结构相关参
数，研究表明结构相关强度参数与结构响应具有更强的相关性。因此，对建筑地震响应进行量纲分析，探索建筑结构地震响应规律时，激励能量长度尺度可能不是最合适的选择。
[0011]地震工程领域中参数选取应遵循的原则：(1)不能选取结构响应作为基本量；(2)为满足量纲和谐原理，所选择的参数需要包含两个基本量纲，[L]和[T]；(3)长度尺度应该与激励幅值成线性关系；(4)所选取参数应有明确的物理意义，且易于估算。
[0012]简谐脉冲作用下弹性SDOF摆的运动方程为
[0013][0014]由方程可得最大位移x
max
与单摆阻尼比ξ和固有角频率ω1、简谐脉冲幅值a
p
和脉冲角频率ω
p
有关，即
[0015]x
max
＝f(ξ,ω1,a
p
,ω
p
)(2)
[0016]上式变量数目为5，包含[L]、[T]两个基本量纲。根据П定理，该式中存在两个基本量，其余5
‑
2＝3个物理量可由这两个基本量表示。地震工程领域的激励能量长度尺度以(a
p
,ω
p
)为基本量。与之不同的是，内禀长度尺度以结构固有角频率ω1为时间量纲基本量，依赖于结构自身特性。以两种长度尺度规格化单摆最大稳态响应解得：
[0017][0018][0019]上式中，通过内禀长度尺度得到的规格化最大稳态响应解与教材的表达式一致，涉及的频率比为ω
p
/ω1，而采用激励能量长度尺度时，规格化最大稳态响应解与教材存在差异，涉及频率比为ω1/ω
p
。
[0020]步骤(2)：将考虑地基影响的相邻建筑碰撞系统离散为多质点模型，相邻建筑非弹性特性采用Bouc
‑
Wen模型表征。每一建筑的地基土层包含平移和转动两个自由度，地基之间可传递剪力和弯矩。在地震激励作用下，考虑SSSI效应的相邻建筑动力方程可写为
[0021][0022]其中，M
bsb
,C
bsb
,K
bsb
分别为SSSI体系的质量阵、阻尼阵和刚度阵，U
bsb
,分别为每一自由度的位移、速度、加速度列向量，F
p
为运动过程中的碰撞力向量，为地震动加速度，v
bsb
,v
fbsb
分别为建筑和地基对于外部激励的影响向量。
[0023]矩阵方程(4.1)由两个建筑对应的方程组成。第一组包含n+2个耦合方程，n为左侧建筑楼层数，2为地基土层的两个自由度。类似地，第二组包含m+2个耦合方程，m为右侧建筑楼层数。在此，默认n≥m。
[0024]对式(5)作进一步展开
[0025][0026]左侧建筑结构对应的矩阵和向量展开如下所示(右侧建筑对应的矩阵和向量与左侧类似，只需将l和n分别替换为r和m即可)：
[0027][0028]u
lbT
＝{u
l1 u
l2
ꢀ…ꢀ
u
ln
}
ꢀꢀꢀ
(8)
[0029]v
lbT
＝{1
ꢀ…ꢀ
1}
ꢀꢀꢀ
(9)
[0030]其中，m
li
，k
li
分别为左侧建筑第i层的楼层质量和侧向抗弯刚度。式(6)中的c
lb
为左侧结构的瑞利阻尼阵，可由质量阵和刚度阵求出。
[0031]左侧地基对应的矩阵和向量如下：
[0032][0033][0034][0035][0036]u
lsT
＝{u
lφ u
lf
}
ꢀꢀꢀ
(14)
[0037]v
lsT
＝{0 m
lf
}
ꢀꢀꢀ
(15)
[0038]其中，H
i
为第i层距离地面的高度。下标的φ和f分别对应地基的摇摆变形和水平变形。k
lφ
,c
lφ
为地基摇摆运动对应的弹簧和阻尼参数，k
lf
,c
lf
为地基水平运动对应的弹簧和阻尼参数，它们的取值由地基的材料与几何特性确定。
[0039]对于相邻建筑，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种相邻建筑碰撞系统地震响应量纲分析方法，其特征在于以下步骤：(1)提出了用于地震工程领域量纲分析的内禀长度尺度，其与结构特性相关且具有明确的物理意义；(2)建立了多自由度相邻非弹性建筑碰撞系统的动力方程，以改进的Kelvin接触单元模型模拟碰撞过程，用MP脉冲表征近断层地震动，并考虑了结构
‑
土
‑
结构相互作用的影响；(3)基于新提出的内禀长度尺度，对相邻建筑碰撞系统进行量纲分析，研究相关参数对碰撞响应的影响规律；建立的结构抗震分析量纲分析方法可减小地震响应的离散度，发现完全自相似规律；具体步骤如下：步骤(1)：激励能量长度尺度的构造参数都来源于脉冲激励，是一个非结构相关参数，研究表明结构相关强度参数与结构响应具有更强的相关性；因此，对建筑地震响应进行量纲分析，探索建筑结构地震响应规律时，激励能量长度尺度可能不是最合适的选择；地震工程领域中参数选取应遵循的原则：(1)不能选取结构响应作为基本量；(2)为满足量纲和谐原理，所选择的参数需要包含两个基本量纲，[L]和[T]；(3)长度尺度应该与激励幅值成线性关系；(4)所选取参数应有明确的物理意义，且易于估算；简谐脉冲作用下弹性SDOF摆的运动方程为由方程可得最大位移x
max
与单摆阻尼比ξ和固有角频率ω1、简谐脉冲幅值a
p
和脉冲角频率ω
p
有关，即x
max
＝f(ξ,ω1,a
p
,ω
p
)
ꢀꢀ
(2)上式变量数目为5，包含[L]、[T]两个基本量纲；根据П定理，该式中存在两个基本量，其余5
‑
2＝3个物理量可由这两个基本量表示；地震工程领域的激励能量长度尺度以(a
p
,ω
p
)为基本量；与之不同的是，内禀长度尺度以结构固有角频率ω1为时间量纲基本量，依赖于结构自身特性；以两种长度尺度规格化单摆最大稳态响应解得：量纲基本量，依赖于结构自身特性；以两种长度尺度规格化单摆最大稳态响应解得：上式中，通过内禀长度尺度得到的规格化最大稳态响应解与教材的表达式一致，涉及的频率比为ω
p
/ω1，而采用激励能量长度尺度时，规格化最大稳态响应解与教材存在差异，涉及频率比为ω1/ω
p
；步骤(2)：将考虑地基影响的相邻建筑碰撞系统离散为多质点模型，相邻建筑非弹性特性采用Bouc
‑
Wen模型表征；每一建筑的地基土层包含平移和转动两个自由度，地基之间可传递剪力和弯矩；在地震激励作用下，考虑SSSI效应的相邻建筑动力方程可写为
其中，M
bsb
,C
bsb
,K
bsb
分别为SSSI体系的质量阵、阻尼阵和刚度阵，U
bsb
,分别为每一自由度的位移、速度、加速度列向量，F
p
为运动过程中的碰撞力向量，为地震动加速度，v
bsb
,v
fbsb
分别为建筑和地基对于外部激励的影响向量；矩阵方程(5)由两个建筑对应的方程组成；第一组包含n+2个耦合方程，n为左侧建筑楼层数，2为地基土层的两个自由度；类似地，第二组包含m+2个耦合方程，m为右侧建筑楼层数；在此，默认n≥m；对式(5)作进一步展开左侧建筑结构对应的矩阵和向量展开如下所示(右侧建筑对应的矩阵和向量与左侧类似，只需将l和n分别替换为r和m即可)：似，只需将l和n分别替换为r和m即可)：u
lbT
＝{u
l1 u
l2
…
u
ln
}
ꢀꢀ
(8)
v
lbT
＝{1
…
1}
ꢀꢀ
(9)其中，m
li
，k
li
分别为左侧建筑第i层的楼层质量和侧向抗弯刚度；式(6)中的c
lb
为左侧结构的瑞利阻尼阵，可由质量阵和刚度阵求出；左侧地基对应的矩阵和向量如下：左侧地基对应的矩阵和向量如下：左侧地基对应的矩阵和向量如下：左侧地基对应的矩阵和向量如下：u
lsT
＝{u
lφ u
lf
}
ꢀꢀ

【专利技术属性】
技术研发人员：杨迪雄，张志敏，郭贵强，陈国海，陈翰澍，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：