罕遇地震作用下考虑接触效应的高层建筑上部结构_桩_土体相互作用的

第30卷增1岩石力学与工程学报Vol.30Supp.12011年5月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringMay，2011收稿日期：2010–04–28；修回日期：2010–06–08作者简介：武成浩(1979–)，男，博士，2001年毕业于郑州大学建筑工程专业，现为工程师，主要从事高层建筑抗震方面的研究工作。E-mail：[e-mail]罕遇地震作用下考虑接触效应的高层建筑上部结构–桩–土体相互作用的非线性分析武成浩1，2，姚谦峰1，阎红霞1，3，李吉涛1(1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044；2.北京交科公路勘察设计研究院有限公司，北京100191；3.河北大学建筑工程学院，河北保定071002)摘要：为更好地研究和预测高层建筑结构在地震尤其是罕遇地震作用下的地震响应，选取经历汶川地震的四川绵竹高层建筑剑南春大酒店为研究对象，利用大型有限元软件ABAQUS建立上部结构–桩–土体三维实体模型，对比结构在刚性地基条件下与土地基条件下的自振特性及上部结构动力响应的区别，得出桩间土体和桩端土体对上部结构动力特性的影响规律，同时考察上部结构非线性、土体非线性和桩–土接触非线性对相互作用体系非线性反应的影响。动力弹塑性时程分析结果与已有震后调查资料对比表明，考虑相互作用效应的高层建筑上部结构抗倒塌能力比传统设计方法更符合实际。本文方法具有很强的实用性，结合大型有限元软件ABAQUS可以较准确分析计算高层建筑上部结构–桩–土体相互作用的强非线性问题，为工程实践提供重要的理论依据。关键词：土力学；接触效应；相互作用；非线性；ABAQUS中图分类号：TU43文献标识码：A文章编号：1000–6915(2011)增1–3224–10NONLINEARANALYSISOFHIGH-RISEBUILDINGSUPERSTRUCTURE-PILE-SOILMASSINTERACTIONCONSIDERINGCONTACTEFFECTUNDERSEVEREEARTHQUAKEWUChenghao1，2，YAOQianfeng1，YANHongxia1，3，LIJitao1(1.SchoolofCivilEngineering，BeijingJiaotongUniversity，Beijing100044，China；2.RIOHTransportConsultantsCo.，Ltd.，Beijing100191，China；3.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，HebeiUniversity，Baoding，Hebei071002，China)Abstract：Inordertostudyandpredictnonlinearseismicresponseofhigh-risebuildingsbetterunderearthquakeespeciallysevereearthquake，theJiannanchunhotel，locatedinMianzhucityofSichuanprovince，whichenduredWenchuanEarthquake，isselectedforresearchobject.Superstructure-pile-soilmassthree-dimensionalfiniteelementphysicalmodelisestablishedbythepopularfiniteelementsoftwareABAQUS.Differentdynamiccharacteristicsofsuperstructurecausedbyvariedinter-pilesoilandbearinglayersoilarediscussedviacomparingthevibrationcharacteristicsanddynamicresponsesofsuperstructureuponrigidsubgradesandpile-soilfoundation.Conclusionisdrawnfortheinfluencesofinter-pilesoilandbearinglayersoilondynamiccharacteristicsofsuperstructurethereby.Meanwhile，theinfluencesofnonlinearitiesofsuperstructure，soilmassandpile-soilcontactonnonlinearresponsesoftheinteractionsystemareconsidered.Comparisonbetweentime-historyanalysisresultsofdynamicelastoplasticityanddisasterinvestigationperformedafterWenchuanEarthquakeindicatesthattheabilityofanti-collapseofsuperstructureofhigh-risebuildingsconsideringinteractioneffectmeetstheactual第30卷增1武成浩等：罕遇地震作用下考虑接触效应的高层建筑上部结构–桩–土体相互作用的非线性分析•3225•circumstancesbetterthantraditionaldesignmethod.ResultsoffiniteelementmodelmatchingsiteinvestigationwellshowthatsoftwareABAQUSisgreatlyapplicableforseverenonlinearinteractionproblemanalysisofhigh-risebuildings；anditcanbeguidanceforengineeringpractice.Besides，theproposedmethodsuppliesimportanttheoreticalbasisforengineeringpractice.Keywords：soilmechanics；contacteffect；interaction；nonlinerity；ABAQUS1引言高层建筑上部结构–桩–土体相互作用问题涉及高层建筑抗震、土力学、结构动力学、地基基础、地震工程、计算力学及有限元方法等众多学科，属于交叉性研究课题，目前以结构工程和岩土工程学科的专家学者研究为多。但岩土工程学科学者多侧重于桩–土体相互作用研究，通常较少考虑上部结构的刚度和非线性，而结构工程学科学者侧重于上部结构，对桩–土体接触和土的非线性本构关系关注不够。现有的高层建筑假定地基为刚性的常规抗震设计方法，忽略了上部结构–基础–地基相互作用效应，不能准确反映实际[1]。相互作用问题研究方法主要有理论分析、模型试验和现场实测3种方法，现场实测多用于静力相互作用问题；模型试验研究受到振动台技术和规模的限制，耗资巨大，费时费力，且相似性、边界条件等问题难以有效解决；理论分析中解析方法发展缓慢。伴随着计算机技术的快速发展，基于大型有限元软件的数值方法发展尤其迅速，越来越成为土–结构动力相互作用问题的主要研究工具[2]。李培振等[2]基于试验和有限元软件ANSYS对比研究了均匀土–箱基–结构的动力相互作用机制；尚守平等[3]基于野外大比例模型试验研究和有限元模型对比分析了土–箱基–框架结构动力相互作用规律；H.N.Li等[4-6]基于ANSYS研究了输电塔线体系–桩–土动力相互作用；何益斌等[7-8]研究了多层框架结构–桩–土的动力特性；钱德玲等[9-10]通过有限元数值模拟的方法，采用ANSYS建立了支盘桩–土–高层建筑结构体系有限元模型，通过数值计算和试验对比，得出了该模型在研究桩–土–上部结构动力相互作用问题上的可行性；孔德森等[11]针对桩基结构利用整体有限元数值计算方法和子结构分析方法对比分析得出2种方法结果的一致性，验证了有限元模型的合理性；李悦等[12]研究了考虑土、上部结构和桥台共同作用的桥台抗震性能，得到了提离作用可以减小上部结构地震反应的规律。这些研究不同程度理清了相互作用体系在地震力作用下的动力反应规律，分别分析了地震作用下混凝土非线性及土体非线性对相互作用体系的影响，但是对于在罕遇地震作用下，同时准确模拟桩–土体接触非线性、混凝土非线性和土体非线性的相互作用体系的研究较少涉及。清华大学高级有限元中心庄茁在相关研究[13]中提到，ABAQUS作为国际上最先进的大型通用有限元软件，在处理变化的接触问题上，可以得到令人满意的结果。本文全面考虑高层建筑上部结构混凝土非线性、土体的非线性和桩–土体接触非线性，选取以非线性分析见长的大型有限元软件ABAQUS[13-14]，对比剑南春酒店在刚性地基条件下与土地基条件下的自振特性及上部结构动力响应的不同，得出了桩间土体和桩端持力层土体对上部结构动力特性的影响规律，同时考察了上部结构非线性、土体非线性和桩–土体接触非线性对相互作用体系非线性反应的影响。2材料非线性模拟2.1混凝土材料非线性模拟钢筋混凝土结构材料的本构关系对钢筋混凝土结构有限元分析结果有重大的影响，如果所选用的本构关系不能很好地反映材料的各项力学性能，那么，其他计算再精确也无法反映结构的实际受力特征。本文选用混凝土损伤塑性模型，可以采用各向同性弹性损伤结合各向同性拉伸和压缩塑性理论来表征混凝土的非弹性行为；可以采用理想弹塑性本构的加强筋模拟混凝土中的钢筋；可以模拟低围压时，混凝土受到单调、循环或动荷载作用下的力学行为等。单轴拉伸和压缩性状见图1(a)和(b)，单轴循环荷载情况下，压缩刚度恢复参数的影响如图1(c)所示。本模型假定混凝土材料主要因拉伸开裂和压缩破碎而破坏。屈服或破坏面的演化由2个硬化变量pltε和plcε控制，pltε和plcε分别表示拉伸和压缩等效塑性应变。在单轴循环荷载下，荷载改变方向后，弹性刚度得到部分恢复。损伤后的弹性模量E可以•3226•岩石力学与工程学报2011年(a)单轴拉伸下(b)单轴压缩下(c)单轴循环荷载下图1应力–应变关系及压缩刚度恢复参数wc的影响Fig.1Stress-strainrelationshipsandinfluenceofcompressionstiffnessrecoveryfactorwc表示为无损弹性模量0E与损伤因子d的关系式：0(1)EdE=−。2.2土体非线性模拟土壤材料属于颗粒状材料，受压屈服强度远大于受拉屈服强度，且材料受剪时，颗粒会膨胀，常用的Von-Mises屈服准则不适合于这类材料。在土力学中，常用的屈服准则有Mohr-Coulomb屈服准则和Drucker-Prager屈服准则。在岩石、土壤的有限元分析中，采用Drucker-Prager材料可得到较为精确的结果，本文选取Drucker-Prager模型来模拟土体。ABAQUS的Drucker-Prager材料的数据表中，需要输入3个参数值：材料的摩擦角，膨胀角和K值(三轴拉伸屈服应力与三轴压缩屈服应力之比)。膨胀角是用来控制土体体积膨胀的大小。对压实的颗粒状材料，当材料受剪时，颗粒将会膨胀，如果膨胀角为0，则不会发生体积膨胀。如果膨胀角等于摩擦角，材料将会发生严重的体积膨胀。2.3桩–土接触非线性模拟由于桩的混凝土材料和与其相接触的土体材料弹性模量相差非常大，故在其接触面通常存在较大剪应力。在地震作用尤其是罕遇地震作用下，当剪应力大于土体材料的抗剪强度时，两者之间会发生滑移、脱开和重新闭合的现象。因此，在用有限单元法模拟桩–土体相互作用时，就要设置接触条件。在相互作用问题的分析中，能否较好地模拟接触面上剪应力的传递和错动变形的发展，能否最大程度上模拟强震作用下接触的实际情况，成为有限元模型模拟成败的关键所在