第期于旭等软夹层场地隔震结构动力特性试验与数值计算对比分析 - ( 效应对隔震结构动力特性以及地震动输入的影响很大进而影响隔震结构的地震反应规律及其强度例如 $ &; 等以一个 - 层隔震结构为研究对象考虑地基 + 桩 + 隔震结构的动力相互作用研究了不同强度地震作用下隔震结构的

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惇卢
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1 南京航空航天大学学报第卷第期年月! "# $%& '# % $ '$% % $ ' ( ) + 软夹层场地隔震结构动力特性试验与数值计算对比分析于旭朱超庄海洋刘帅南京工程学院建筑工程学院南京, 南京工业大学岩土工程研究所南京 - 摘要基于刚性地基和软夹层地基上基础隔震结构的振动台模型试验体系建立了刚性地基和软夹层地基土 + 基础隔震结构动力相互作用的等尺寸三维有限元分析模型对比分析了两者不同地基上模型结构体系的自振频率加速度反应和模型地基的加速度反应规律对比分析结果表明数值模拟计算结果和模型试验结果虽然在数值上的差距较大但两者反应的模型在地基地震反应特征隔震层的隔震效果和模型隔震结构的地震反应等方面的规律基本一致也就是说采用振动台模型试验开展土 + 隔震结构动力相互作用的研究在定性规律的反应上是可行的但在定量模拟方面还存在明显的不足关键词软弱地基隔震结构模型试验数值模拟地震反应中图分类号.!) 文献标志码 ' 文章编号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基金项目江苏省自然科学基金青年基金 /0,, 资助项目南京工程学院校级科研基金 0' 资助项目收稿日期 ++) 修订日期 ++, 通信作者庄海洋博士副教授 +,) 引用格式于旭朱超庄海洋等软夹层场地隔震结构动力特性试验与数值计算对比分析南京航空航天大学学报 -+-, & #% 4#$ % $ 6#%7## #8# # % 9 # + $ % 6 $#$ %#9$% % # $ 9! "# $%& '# % $ '$% + % $-+-,

2 第期于旭等软夹层场地隔震结构动力特性试验与数值计算对比分析 - ( 效应对隔震结构动力特性以及地震动输入的影响很大进而影响隔震结构的地震反应规律及其强度例如 $ &; 等以一个 - 层隔震结构为研究对象考虑地基 + 桩 + 隔震结构的动力相互作用研究了不同强度地震作用下隔震结构的 ) 动力反应特征 9 等采用数值计算方法考虑地基 + 隔震结构动力相互作用对软弱地基上底层隔震高层结构的动力反应进行了研究 % $ 考虑基岩输入不同性质的地震动也研究了地震动特性 ( 效应和隔震方式对隔震结构动力反应的影响规律国内学者刘伟庆刘方成和尚守平等也分别采用模型试验和数值模拟等手段研究了 ( 校应对隔震结构地震反应特性的 +, 影响规律得出了较为近似的研究结果本文作者近几年也开展了不同土性地基上 ( 效应对基础隔震结构动力反应特征的系模型 + 试验研究系统地分析了考虑 ( 效应时基础隔震结构动力特征和地震反应规律并基于模型的试验结果研究了考虑 ( 效应时桩基上基础隔震结构的简化计算方法鉴于此本文以软夹层地基隔震结构模型试验为依据使用有限元软件 '/'! 建立了刚性地基隔震结构和软夹层地基隔震结构试验体系的三维有限元数值仿真分析模型根据计算结果重点对比分析了刚性地基与软夹层地基上隔震结构地震反应以及 ( 效应对软夹层地基上隔震结构地震反应的影响规律模型试验概况与有限元计算模型的建立模型试验概况为了模拟出土 + 结构的动力相互作用特性土与结构上部结构与地基尽可能满足相同的相似关系根据 / ; 定理选取长度加速度和隔震支座压缩应力为基本相似参数确定实验体系相似比如表所示试验采用单向激振选用地震波为 +# % 波 06# 波南京人工波其中南京人工波傅氏谱频宽最宽 06# 频宽最窄而 +# % 波的频宽居中软夹层地基模型试验加载方案如表所示输入地震波对应的加速度时程及其对应的反应谱分别如图所示表模型与原形相似比 ( $!!! 物理量相似关系相似比结构地基土长度位移弹性模量! 上部结构密度! 质量 " ) 支座压缩应力土体剪切模量 # 时间 $ " %,, 加速度 $ 表 ) 加载工况 ()! +#,! 工况工况编号地震波类型加速度峰值. < +# % 波. 南京人工波 ).0/ 06# 波. < +# % 波. 南京人工波.0/ 06# 波,. <) +# % 波 ). ) 南京人工波 ) -.0/) 06# 波 ). < +# % 波.0/ 06# 波图试验中输入地震波对应的加速度时程 = % #+ $% #$ # # % 7 # % 9 # # %%&#$ # % ;#7 "#$ %#$%

试验模型布置和现场试验如图所示 ) 有限元计算模型的建立本文的有限模型都严格根据振动台模型试验体系中模型结构尺寸和物理力学参数建立模型上部结构采用层钢框架搭建钢框架的梁和柱均使用三维梁单元模拟楼板层使用板单元模拟并赋予其实际厚度同时通过计算将试验中各层配重质量通过增大楼板材料的密度来近似考虑模型地基和桩基承台采用结点实体六面体单元建模模型桩采用三维梁单元模拟

3 - 南京航空航天大学学报第卷图试验中输入地震波对应的傅氏谱谱值 = = # $# % # # % 7 # % 9 # # %%&#$ # % ;#7 "#$ %#$% 振动台模型试验中上部结构采用层钢框架结构上部结构底层层高其余层为激振方向模型高宽比为每层配重,); 总配重 ) ; 隔震支座采用个直径为的铅芯橡胶支座铅芯直径橡胶总计层隔震支座平均水平刚度,; 竖向刚度 -, -; 模型基础采用 >) 群桩基础隔部分结构尺寸如图 ) 所示软夹层地基模型试验地基土为分层土基于实验布置图为密砂层为软夹层 ) 为松砂层从上至下分别为 ) 松散砂土高含水量黏土饱和密实砂土分层土形成软夹层地基模型土箱采用南京工业大学岩土工程研究所研制的层状剪切变形土箱该土箱可有效减小模型土层有限边界的影响试验模型布置和现场试验如图所示 ) 有限元计算模型的建立本文的有限模型都严格根据振动台模型试验体系中模型结构尺寸和物理力学参数建立模型上部结构采用层钢框架搭建钢框架的梁和柱均使用三维梁单元模拟楼板层使用板单元模拟并赋予其实际厚度同时通过计算将试验中各层配重质量通过增大楼板材料的密度来近似考虑模型地基和桩基承台采用结点实体六面体单元建模模型桩采用三维梁单元模拟桩土共同作用通过把桩植入土体的方法实现他们之间的相互作用不考虑桩土和承台之间的分离与滑移模型体系各部分建模尺寸如图所示隔震支座通过在 ) 个方向建立线性弹簧并施加阻尼来模拟然后分别赋予实验得出的弹簧刚度和阻尼值使模型支座在线弹性范围内具有与实验用隔震支座具有相近的力学特性即实验用隔震支座平均水平刚度为,; 竖向刚度为 -, -; 为了缩短计算时间减少结构约图 ) 模型结构与基础体系尺寸 = ) # 9# $% % # 9 # 9 % 束是非常有效的途径将上部结构的梁柱单元在组装时进行合并删除了梁柱之间的绑定约束

第期于旭等软夹层场地隔震结构动力特性试验与数值计算对比分析 -) ) 试验结果与计算结果的对比分析 ) 结构自振频率的对比表列出了模型试验和有限元数值计算的结构自振频率从表中数值可以看出模型试验所得隔震结构的自振频率明显大于数值计算的结构而对于刚性地基非隔震结构来说模型试验结果又明显小于数值计算的结构总体来看数值模型计算的结构自振频率和模型试验结果比较接近

##+9 # $ %# # # # % 9# %#$%$&$%# 表 - 模型土的物理与力学参数 (-., #!#, # %! 土层厚度密度剪切波速 &$ 摩擦角泊松比?) $?

4 第期于旭等软夹层场地隔震结构动力特性试验与数值计算对比分析 -) ) 试验结果与计算结果的对比分析 ) 结构自振频率的对比表列出了模型试验和有限元数值计算的结构自振频率从表中数值可以看出模型试验所得隔震结构的自振频率明显大于数值计算的结构而对于刚性地基非隔震结构来说模型试验结果又明显小于数值计算的结构总体来看数值模型计算的结构自振频率和模型试验结果比较接近造成它们之间差值的主要原因是因为隔震制作的计算力学参数与实际模型隔震支座的力学特性还存在明显的差距表 / 结构的自振频率 (/ " % 0 # % #! % %! 3 方法基础隔震非隔震刚性地基软夹层地基刚性地基软夹层地基试验, 数值计算 ) -, ) 图实验现场图 = % #8# # %$%# 图刚性地基三维有限元模型 =. ##+9 # $ %# # # # % 9# %#$%$&$%# 表 - 模型土的物理与力学参数 (-., #!#, # %! 土层厚度密度剪切波速 &$ 摩擦角泊松比?) 粉细砂 ), -, 粉土 -) - 粉细砂 - - ) ) 刚性地基隔震体系加速度反应的对比分析加速度峰值 # ; 9 # # % ' 反应是评估结构受地震荷载作用破坏程度的重要指标之一同时也是抗震结构设计的重要参考依据加速度峰值较大时结构更易发生破坏且破坏程度更加严重也说明此结构的抗震性能较差图给出了刚性地基上隔震结构体系加速度放大系数对比图对比分析表明模型试验和数值模拟结果均体现出了隔震结构的隔震效果总体来看输入 06# 波时模型试验和数值模拟计算结果差距较大且数值模拟结构明显要小于实验值随着输入峰值的增大两者差距有逐渐减小的趋势造成上述差值的主要原因为隔震支座顶底间的加速度反应当输入 +# % 波时两种方法得到的隔震支座的隔震效果都比较接近但实验中随楼层的加速度反应分布规律也存在明显的差异即模型试验所得结构加速度反应峰值先随楼层增高而增大但数值模拟结果表明楼层的加速度反应峰值随楼层增高而逐渐递减当输入南京人工波时无论是楼层加速度反应规律还是隔震支座的隔震反应两个方法的结果均比较一致 ) - 软夹层地基隔震体系加速度反应对比分析考虑 ( 效应后结构的地震反应变得更加复杂地震波在向上传播的过程中频谱特性必然会发生变化通常地表加速度峰值与承台顶的加速度峰值是不相等的表给出了输入不同地震波时承

5 - 南京航空航天大学学报第卷图实验与模拟加速度峰值对比 = % $% '6&#8# # % 9$ % 台顶部和土体表面的加速度实验值与计算值的比较总体来看从表中误差列数值可知数值计算和模型试验结果都表明模型地基土体表面加速度峰值基本上都大于承台顶根据数值计算结果和模型试验结果的对比分析表明当输入 ' 和 ' 时模型试验结果基本上都要大于模型试验结果且两者之间的相对误差要大些而输入 ') 和 ' 时误差则明显减小且基本在 A 左右两者计算结果一致性较好图, 分别给出了输入加速度峰值为 ') 时土体表面及承台顶面处加速度时程及傅里叶谱对比曲线模型试验结果和数值计算的加速度时程曲线随时间的变化趋势基本保持一致所对应的傅里叶谱在谱域组成以及谱值变化趋势等方面都较为相似总体而言数值计算结果和模型试验结果具有较好的一致性表土体表面和承台加速度峰值比较 ( % ## #! +!%!%! 承台顶土体表面工况模拟值试验值误差模拟值试验值误差 $? $ A $? $ A - )) -,,- -, ) - --, ), ) ) ) 0/ -, ) / ), ) 0/) ) ) ) 0/ ) ), ) ) ),

6 第!期! 于! 旭$等!软夹层场地隔震结构动力特性试验与数值计算对比分析 BEB 图 D! 输入峰值 $= A 时承台顶加速度峰值及傅里叶谱对比 a D!],Y,, 7 (+,+Wa() 6S 7,(.,, 7 (+, 77 (S(.S,S,+W2 ()+WU 7 M +S) 7(.]X9_$= A 2=!! 图 " 为楼层加速度峰值模型试验结果和数值模拟结果的对比'由图可以看出$数值计算结果明现在隔震层顶部加速度反应上$即数值模拟计算的显小于模型试验结果$但从上部结构楼层加速度放型试验结果和数值模拟结果都表明$软夹层地基上大系数的变化规律来看$两种方法给出的结果是一部模型结构的加速度放大系数随着楼层的增高而致的'造成两者计算结果在数值上的差别主要体先变小后变大' 隔震层顶的地震反应明显小于模型试验结果' 模

7 - 南京航空航天大学学报第卷图实验与模拟楼层加速度放大系数对比 = % $% # # % #$ $#$6&#8# # % 9$ % 图 - 为模型地基土层加速度峰值的对比从图中可以看到地震波在地基中的传播趋势基本相同表现为地震波在底层密实砂土中传递时峰值有可能增大也有可能减小但数值变化不大当进入软夹层后加速度反应峰值迅速减小软夹层的滤波隔震效果得以体现传递到上层砂土中时加速度峰值又恢复到继续增大的趋势综上可知模型试验结果与数值模拟结果虽然存在一定偏差但其趋势基本一致因此可确定模型试验结果基本有效 - 结论图 - 输入加速度峰值为 ) 模型地基不同土层内加速度放大系数 = - % $% # # % #$ $#$ 9# 9 % 6&#8# # % 9$ % 本文针对软夹层地基上隔震结构模型试验体系建立了等尺寸的小型三维有限元数值分析模型对比分析了模型试验和数值模拟的结果得出的主要结论如下数值模态分析得出的模型结构体系的自振频率与模型试验结果非常相近验证了本文设计的软夹层地基上模型试验体系在模拟土 + 隔震结构动力相互作用的可靠性对比分析了刚性地基上模型结构加速度放大系数总体来看数值模拟计算结果与模型试验结果也基本一致从数值上看 06# 波输入时两者结果差距较大但 +# % 波和南京人工波输入时两种结果比较接近因此数值计算结果较好地反应刚性地基隔震结构的地震反应规律 ) 对比分析了软夹层地基上承台顶和土层表面加速度反应结果表现为小震和中震时两者误差稍大大震时误差明显减小虽然计算的加速度峰值与模型试验结果相比有一定差距但加速度反应的频谱特性具有很好的一致性验证了模型试验地基土在动力学特征方面的考虑基本合理对比分析了软夹层地基和上部模型隔震结构加速度反应的放大系数结果表明数值模拟和模型试验结果虽然在数值上的差距较大但两者反应的规律基本一致也就是说采用振动台模型试验开展土 + 隔震结构动力相互作用的研究在定性规

8 第期于旭等软夹层场地隔震结构动力特性试验与数值计算对比分析 -, 律的反应上是可行的但在定量分析方面还存在明显的不足参考文献朱超庄海洋于旭土 + 隔震结构动力相互作用体系振动反应特性试验研究岩土工程学报 ), & 8# # % $%9& % #"6 % %# $% $ $ + #+$+ %#9$% % #9& %# % $&$%# + #$# #%# ## ), + $ &; $ (.$ 9#0 # % #+ $ $# %# $% $ $#$ &$ %#9-+$% #& $ 9 ## % ;#$ 9%$ 9& $ +$% % #+ %# % # # %$ % % 9 $% % ##,,,,+ ) 9 # + ; '46# % + # 6#+ " 6 $#+$ %#96 9 $ %#9 #86 # $ 9# 9 # % ;#$ 0#& ## + %# $'9" #$ = % # 9 # #+ $-+ % $( 4#$ $# $#$ & $ %#9 $% % #$% ; +%&# #8 % % $ % + ;# ## 9 % % & $ )-))+) 刘方成土 + 结构动力相互作用非线性分析及基于 ( 效应的结构隔震研究长沙湖南大学 <= #. # #$# # $ $% + % # %# % 9$% % $#$ $ % 6 $#9 (# # % $ 3! "# $%& 刘伟庆李昌平王曙光等不同土性地基上高层隔震结构振动台试验对比研究振动与冲击 ))+ < B# < B #% %"# $%9& + $# $ %#9 $% % # 9#9 " $$ 9 % $6&$ $ ; % 6 #%#$% 6 % 9 ;) )+, 李昌平刘伟庆王曙光等土 + 隔震结构相互作用体系动力特性参数的简化分析方法工程力学 )),,)+,- < < B# B #% #9 #% 9 % 9& %# + $% $ $ +$ %#9$% % #$&$%# ## + # $)),,)+,- 2 3 & 2 #% ; % 6 #%#$%$ % #$#$ #$ $# 6 $#+$ %#9 $% % #7% % # (# # % & $ 9 % ;# ##, & 2 ' # # % #% 9 #$% % % #9& #$ $# 6 $#+ $ %#9$% % # 7% (# # % '9" #$ # $ 9 #%# ## + ##9 $., # # # + % % #( + %# % 94#% B $ %! %$;& 9 #%# $6 4$$ $ )+ 于旭宰金珉庄海洋 ( 效应对隔震结构地震响应的影响分析南京航空航天大学学报 & # %$ $ + $% % # %# % # % ;# #$ $# $ + %#9$% % #$&$%#! "# + $%& '# % $ '$% % $+ 2 < B# 8# # % 4#+ $# 9 # = %# # # %' &$$ + "# %6#%7## =4. 9 %## /#. $ % $! "# $%& '# % $ '$% % $-,+

第期李伟等用方法对中国历史气温数据插值可行性讨论

第期李伟等用方法对中国历史气温数据插值可行性讨论李伟李庆祥江志红使用插值方法对已经过质量控制和均一化的年月年月中国全部基本基准站气温资料逐月进行空间插值通过站点的实际序列与插值后格点序列进行比较针对相关系数和线性趋势等多个量来检验方法对气候资料插值的