CN104915483B - 一种地震作用下建筑物基础稳定性验算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于建筑结构的设计技术领域，具体涉及一种地震作用下建筑物基础稳定性验算方法。该方法首先选用通用有限元程序ANSYS建立建筑物的三维空间有限元模型，再根据力学原理加载计算推导得到动力特性相一致的集中质量杆单元模型，将得到的集中质量杆模型导入ACS SASSI程序，根据厂址地基条件，在ACS SASSI程序中补充建立地基模型，并输入地震动时程，利用ACS SASSI程序的计算内核，实现土‑结构相互作用(SSI)及地基非线性等计算功能。采用本发明的方法，可以使分析模型更加符合实际、计算结果更加精确可靠，同时本方法简单适用、易于操作、便于在实际工程中实现。
Description
技术领域
本发明属于建筑结构的设计技术领域，具体涉及一种地震作用下建筑物基础稳定性验算方法。
背景技术
地震作用下建筑物基础稳定性分析中的抗滑移和抗倾覆验算，一般不涉及结构构件内力及变形计算，因此以往结构设计中一般采用传统的静力计算方法，比如核电站厂房，通常根据厂房楼层反应谱的零周期加速度计算得到各楼层的地震作用，由此得到基底的总的滑移力和倾覆力矩。这种传统计算方法的优点是通俗易懂、计算简捷明了且耗时少，在地震作用不大时可以满足工程设计要求。但该方法的缺点是计算地震作用时未能考虑结构振型特点，往往导致基底滑移力和倾覆力矩计算结果偏大，尤其是在核电站这种设计地震动较大的情形下，稳定性验算结果会过于保守甚至不满足安全系数要求；此外，传统的静力计算方法亦不能考虑土-结构相互作用(SSI)和地基的非线性特性，分析模型不能完全反应结构实际受力情形，计算结果精度不高。
在核电工程中，随着核电站标准化设计的推广，所采用的可包络多厂址条件的地震动峰值加速度也增大，从而致使偏于保守的传统稳定性分析方法计算结果不一定能满足设计要求；此外，厂址条件的复杂性往往要求计算分析中需考虑SSI效应。因此，有必要研究一种新的稳定性验算方法，其分析模型应符合实际，计算结果应精确可靠，同时新方法应概念清晰、易于操作、便于设计人员掌握。
发明内容
本发明的目的是为了在建筑物基础稳定性分析中避免出现传统静力分析方法所固有的计算失真、结果偏于保守等缺点，而提出的一种可考虑SSI效应和地基非线性特性的地震作用下建筑物基础稳定性验算方法。采用本发明的方法，可以使分析模型更加符合实际、计算结果更加精确可靠，同时本方法简单适用、易于操作、便于在实际工程中实现。
本发明的技术方案如下：一种地震作用下建筑物基础稳定性验算方法，包括如下步骤：
(1)采用通用有限元程序ANSYS建立建筑物的三维空间有限元模型；
(2)根据力学原理得到集中质量杆单元模型；
(3)将得到的集中质量杆单元模型导入ACS SASSI程序，根据厂址地基条件，通过在ACS SASSI程序中补充建立地基模型来考虑地基非线性特性和土-结构相互作用效应，并输入地震动时程，利用ACS SASSI程序的计算内核，采用动力时程分析法计算得到厂房基础抗滑移及抗倾覆验算的动态结果；
(4)将计算结果与相关抗震设计规范中的安全系数限值进行比较，判断是否满足设计要求。
进一步，如上所述的地震作用下建筑物基础稳定性验算方法，步骤(2)中所述的集中质量杆单元模型中集中质量所受的水平地震作用Hm和竖向地震作用Vm与层间剪力Xm及层间轴力Ym的关系为：
X1＝Hn+Hn-1+…+H2+H1； Y1＝Vn+Vn-1+…+V2+V1
X2＝Hn+Hn-1+…+H2； Y2＝Vn+Vn-1+…+V2
…… ……
Xn-1＝Hn+Hn-1； Yn-1＝Vn+Vn-1
Xn＝Hn； Yn＝Vn
其中，
1,2，…，n：表示楼层数；
Xm(m＝1,2，…，n)：表示水平地震作用下各层层间剪力；
Ym(m＝1,2，…，n)：表示竖向地震作用下各层层间轴力；
Hm(m＝1,2，…，n)：表示水平地震下各层集中质量所受水平地震作用；
Vm(m＝1,2，…，n)：表示竖向地震下各层集中质量所受竖向地震作用。
更进一步，如上所述的地震作用下建筑物基础稳定性验算方法，步骤(3)中，利用集中质量杆单元模型，采用动力时程分析法得到厂房基础抗滑移及抗倾覆验算的动态结果，具体方法如下：
(3-1)输入地震动时程进行动力分析，得到与时间点i相关的层间剪力Xm,i时程和层间轴力Ym,i时程，其中，底层X1,i和Y1,i为基底水平向总滑移力及对应时刻的竖向地震作用；进行相关工况组合后应用基础抗滑移验算计算得到与i时刻相关的抗滑移验算系数Kh,i时程；
(3-2)根据集中质量杆单元模型中集中质量所受的水平地震作用Hm和竖向地震作用Vm与层间剪力Xm及层间轴力Ym的关系，由计算得到的层间剪力Xm,i时程和层间轴力Ym,i时程，推算得到各集中质量处的水平地震作用Hm,i时程和竖向地震作用Vm,i时程，进行相关工况组合后应用基础抗倾覆验算计算得到与i时刻相关的抗倾覆验算系数Kq,i时程。
更进一步，如上所述的地震作用下建筑物基础稳定性验算方法，步骤(4)中，将计算得到的抗滑移验算系数的最大值Kh,i,max和抗倾覆验算系数最大值Kq,i,max与相关抗震设计规范中的安全系数限值进行比较，判断是否满足设计要求。
本发明的有益效果如下：
[1]本发明采用了ANSYS和ACS SASSI两种有限元程序相结合的技术方案，取长补短，分别充分利用ANSYS程序强大的前后处理功能以及ACS SASSI程序的可考虑SSI效应和地基非线性的丰富的计算功能。
[2]本发明采用动力时程分析法代替传统的拟静力方法，可以准确地反映地震中各时间点结构的动力响应(三个方向：两个水平向和一个竖向)，真实地反映厂房的实际受力状态，避免了传统静力分析方法中假设结构三方向最大地震响应发生于同一时刻、计算结果偏于保守的缺点。
[3]本方法能够适用于多种厂址条件，计算中不但可以考虑土-结构动力相互作用(SSI)，还可以采用等效线性化原则近似考虑地基的非线性特性，从而使分析模型更加符合实际，基础稳定性验算结果更加精确可靠。
附图说明
图1为本发明地震作用下建筑物基础稳定性验算方法的计算模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
建筑物基础抗滑移及抗倾覆验算，属于整体稳定性分析，不需要具体分析每个结构构件的内力及变形等，因此可采用考虑偏心扭转效应的集中质量杆单元模型来代替空间三维有限元模型，集中质量杆模型的优点是可以通过计算直接得到每层的层间剪力Xm及轴力Ym，这对于稳定性分析来说，在保证计算精度的同时可以节约大量的计算时间成本。
本发明所提供的地震作用下建筑物基础稳定性验算方法，包括如下步骤：
(1)采用通用有限元程序ANSYS建立建筑物的三维空间有限元模型；
(2)根据力学原理得到集中质量杆单元模型；
(3)将得到的集中质量杆单元模型导入ACS SASSI程序，根据厂址地基条件，在ACSSASSI程序中补充建立地基模型，并输入地震动时程，利用ACS SASSI程序的计算内核，采用动力时程分析法计算得到厂房基础抗滑移及抗倾覆验算的动态结果；
(4)将计算结果与设计规范中的安全系数限值进行比较，判断是否满足设计要求。
该方法首先选用前后处理功能强大的通用有限元程序ANSYS建立建筑物的三维空间有限元模型，再根据力学原理加载计算推导得到动力特性相一致的集中质量杆单元模型(模型结构见图1)，因ANSYS程序无法直接考虑SSI效应及地基的非线性特性，因此需将得到的集中质量杆模型导入ACS SASSI程序，根据厂址地基条件，在ACS SASSI程序中补充建立地基模型，考虑地基非线性特性和SSI效应，并输入地震动时程，利用ACS SASSI程序的计算内核，实现SSI及地基非线性等计算功能。通过ANSYS程序和ACS SASSI程序建立模型的过程是对两个程序软件的具体应用，为本领域的公知技术。
如图1所示，本发明所提供的集中质量杆单元模型中集中质量所受的水平地震作用Hm和竖向地震作用Vm与层间剪力Xm及层间轴力Ym的关系为：
X1＝Hn+Hn-1+…+H2+H1； Y1＝Vn+Vn-1+…+V2+V1
X2＝Hn+Hn-1+…+H2； Y2＝Vn+Vn-1+…+V2
…… ……
Xn-1＝Hn+Hn-1； Yn-1＝Vn+Vn-1
Xn＝Hn； Yn＝Vn
其中，
1,2，…，n：表示楼层数；
Xm(m＝1,2，…，n)：表示水平地震作用下各层层间剪力；
Ym(m＝1,2，…，n)：表示竖向地震作用下各层层间轴力；
Hm(m＝1,2，…，n)：表示水平地震下各层集中质量所受水平地震作用；
Vm(m＝1,2，…，n)：表示竖向地震下各层集中质量所受竖向地震作用。
根据结构的动力特性可知，结构每层水平地震作用以及竖向地震作用最大值一般不会发生在同一时刻，而传统的静力计算方法无法区分各楼层最大水平地震作用发生时间的差别，也无法区分水平地震作用和竖向地震作用最大值发生时间的差别，故一般假设各楼层地震作用最大值同时发生，因此，传统的计算方法是偏于保守的，甚至会出现偏差。为了解决上述传统方法的缺点，本发明在ACS SASSI程序中利用集中质量杆模型，采用动力时程分析法得到厂房基础抗滑移及抗倾覆验算的动态结果，动力时程分析法为本领域的公知方法。该方法的主要计算步骤如下：
1)输入地震动时程进行动力分析，得到与时间点i相关的层间剪力Xm,i时程和层间轴力Ym,i时程，其中，底层X1,i和Y1,i为基底水平向总滑移力及对应时刻的竖向地震作用；进行相关工况组合后应用基础抗滑移验算计算得到与i时刻相关的抗滑移验算系数Kh,i时程，相关工况组合及计算方法为公知技术；将计算得到的抗滑移验算系数的最大值Kh,i,max与与相关抗震设计规范中的安全系数限值进行比较，判断是否满足设计要求。所述相关抗震设计规范为具体设计实例所属的行业标准规范。
2)根据集中质量杆单元模型中集中质量所受的水平地震作用Hm和竖向地震作用Vm与层间剪力Xm及层间轴力Ym的关系，由上一步计算得到的层间剪力Xm,i时程和层间轴力Ym,i时程，推算得到各集中质量处的水平地震作用Hm,i时程和竖向地震作用Vm,i时程，进行相关工况组合后应用基础抗倾覆验算计算得到与i时刻相关的抗倾覆验算系数Kq,i时程，相关工况组合及计算方法为公知技术；将计算得到的抗倾覆验算系数最大值Kq,i,max与相关抗震设计规范中的安全系数限值进行比较，判断是否满足设计要求。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (2)
1.一种地震作用下建筑物基础稳定性验算方法，包括如下步骤：
(1)采用通用有限元程序ANSYS建立建筑物的三维空间有限元模型；
(2)根据力学原理得到集中质量杆单元模型，集中质量杆单元模型中集中质量所受的水平地震作用Hm和竖向地震作用Vm与层间剪力Xm及层间轴力Ym的关系为：
X1＝Hn+Hn-1+…+H2+H1；Y1＝Vn+Vn-1+…+V2+V1
X2＝Hn+Hn-1+…+H2；Y2＝Vn+Vn-1+…+V2
…………
Xn-1＝Hn+Hn-1；Yn-1＝Vn+Vn-1
Xn＝Hn；Yn＝Vn
其中，
1,2，…，n：表示楼层数；
Xm(m＝1,2，…，n)：表示水平地震作用下各层层间剪力；
Ym(m＝1,2，…，n)：表示竖向地震作用下各层层间轴力；
Hm(m＝1,2，…，n)：表示水平地震下各层集中质量所受水平地震作用；
Vm(m＝1,2，…，n)：表示竖向地震下各层集中质量所受竖向地震作用；
(3)将得到的集中质量杆单元模型导入ACS SASSI程序，根据厂址地基条件，通过在ACSSASSI程序中补充建立地基模型来考虑地基非线性特性和土-结构相互作用效应，并输入地震动时程，利用ACS SASSI程序的计算内核，采用动力时程分析法计算得到厂房基础抗滑移及抗倾覆验算的动态结果，具体方法如下：
(3-1)输入地震动时程进行动力分析，得到与时间点i相关的层间剪力Xm,i时程和层间轴力Ym,i时程，其中，底层X1,i和Y1,i为基底水平向总滑移力及对应时刻的竖向地震作用；进行相关工况组合后应用基础抗滑移验算计算得到与i时刻相关的抗滑移验算系数Kh,i时程；
(3-2)根据集中质量杆单元模型中集中质量所受的水平地震作用Hm和竖向地震作用Vm与层间剪力Xm及层间轴力Ym的关系，由计算得到的层间剪力Xm,i时程和层间轴力Ym,i时程，推算得到各集中质量处的水平地震作用Hm,i时程和竖向地震作用Vm,i时程，进行相关工况组合后应用基础抗倾覆验算计算得到与i时刻相关的抗倾覆验算系数Kq,i时程；
(4)将计算结果与相关抗震设计规范中的安全系数限值进行比较，判断是否满足设计要求。
2.如权利要求1所述的地震作用下建筑物基础稳定性验算方法，其特征在于：步骤(4)中，将计算得到的抗滑移验算系数的最大值Kh,i,max和抗倾覆验算系数最大值Kq,i,max与相关抗震设计规范中的安全系数限值进行比较，判断是否满足设计要求。
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