考虑土-结构相互作用的低、中、高层隔震剪切建筑频率内容相关地震评估

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Frequency-content dependent seismic assessment of low-, intermediate-, and high-rise base-isolated shear buildings considering soil-structure interaction

　　

摘要

尽管基础隔震（BI）系统对建筑结构性能的影响已被充分理解，但土 - 结构相互作用（SSI）对 BI 建筑性能的影响尚不明确。此外，快速的城市化、日益增长的建筑施工率以及地震事件的频繁发生，使得有必要调查配备有基础隔震（BI）等地震控制系统的典型城市建筑基础设施的频率依赖行为。本研究考虑 SSI 的影响，调查了 BI 系统对低层、中层和高层基础隔震剪切型建筑抗震性能的影响。数值研究考虑了城市中常见的三种具有不同基本结构频率的不同建筑。为了全面研究地震对不同高度建筑结构（低层、中层和高层建筑）的影响，地震记录被分类为低频、中频和高频地震。建筑结构的数值建模采用集中质量模型，并将线性化等效 BI 系统的参数集成到模型中，考虑到 BI 系统的行为类似于结构系统的底层。在本研究中，土壤与基础之间的相互作用使用弹簧和阻尼器来表示，考虑了平动和摇动惯性响应。分别考虑 SSI 和非 SSI 条件，对比了隔震和非隔震情况下的地震响应。研究发现，SSI 显著影响各类所考虑建筑结构的地震响应，这与是否隔震无关。此外，在隔震和非隔震情景下，不同类型建筑对不同频率含量地震的敏感性都很明显。对于所有所考虑的地震，当忽略 SSI 效应时，BI 系统的效率被观察到被高估。

引言

解决复杂耦合工程问题的稳健高效数值算法的快速发展，使得非线性动力学系统的模拟更加高效。这对于基础设施系统在自然灾害期间的安全与稳定性进行真实建模至关重要 [1,2]。在此背景下，隔震是减少地震对基础设施系统负面影响的广泛使用的方法。这对于强震后必须保持运营的關鍵设施尤为重要，包括医院、机场、核电站和政府设施。基础隔震（BI）或隔震，是减少地震对建筑负面影响的广泛使用的方法。这对于强震后必须保持运营的關鍵设施尤为重要，包括医院、机场、核电站和政府设施。该技术也用于设计和高架桥。BI 的本质是将上部结构与基础分离，以防止地震激励直接传递到结构。因此，来自地面的荷载传递将减少，这有助于减轻可能的损坏 [[3], [4], [5], [6], [7]]。通常在传统设计中，假设结构在基础处固定，且不考虑土壤的作用。这一假设并不总是正确的，因为在某些情况下，特别是对于软土，土 - 结构相互作用（SSI）可能会极大地改变结构响应。此外，已经进行了关于更复杂行为的研究，例如相邻隔震建筑之间的地震碰撞，强调了在实际案例中考虑相互作用的重要性 [8]。最近的研究也提出了隔震器设计参数的优化，包括元启发式方法，以改进系统性能 [9,10]。大量研究检查了审查和改进基础隔震系统的主题，其中包括自适应和可持续基础隔震，以及基础隔震技术历史及其应用困难 [[11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19]]。此外，另一个引起广泛关注的重要方面是 SSI，已被证明是影响常规建筑以及 BI 建筑地震行为的重要因素。最初研究了关于 SSI 及其对结构影响的先前研究，后来通过实验工作突出了 SSI 对 BI 的影响 [20]。此外，有研究表明 SSI 在改变基础隔震系统性能方面起着重要作用 [18,21,22]。使用各种技术对 SSI 和 BI 进行了建模，包括多自由度系统 [4,19,23,24]。最近文献中越来越关注 SSI 和 BI 之间的相互作用。已证明，虽然 SSI 可能会增加 BI 的有效性，但相反的效果也是可能的，这取决于土壤特性、结构特征和激励等参数 [7,25,26]。最近开发的岩土隔震方法修改了基础土壤，而不是使用额外的隔震 [[27], [28], [29]]。它在基础下方引入耗散层，以减少传递到结构的地震运动。然而，这并不总是在特定场地的基础条件下切实可行的。易损性和可靠性评估表明，SSI 的存在对地震脆弱性有显著影响，特别是对于细长建筑 [[30], [31], [32], [33]]。此外，已经开发了各种考虑 SSI 影响的最优设计和控制方法 [[34], [35], [36]]。最后，实验和计算研究改善了对与 SSI 相关的模态和阻尼特性的了解 [37,38]。除了 SSI 和基础隔震，地面运动频率含量是影响结构响应的最重要特征之一。激励频率的变化可能导致完全不同的动力响应，因此需要评估框架 [26]。像 PEER NGA-West2 这样的数据库帮助研究人员检查地面运动变异性及其对结构性能的影响 [39]。已经进行了关于地震活动期间隔震和非隔震建筑行为的新研究，从而强调了上述变量在设计和性能中的重要性 [40,41]。尽管进行了广泛研究，但仍需要对 SSI、基础隔震和地震特征对结构性能和可靠性的综合影响进行系统评估。尽管许多论文充分研究了 BI 和 SSI 对建筑动力性能的影响，但只有少数论文致力于 BI 和 SSI 的综合影响。现有结果并不非常全面，且没有研究调查地震频率含量的影响，而这是影响建筑抗震安全性和适用性的最参数。因此，本文报告了在一个统一数值框架内对基础隔震、SSI、结构频率和地震频率含量耦合影响的评估。通过基于 PGA/PGV 比对地震记录进行分类，并比较代表性低层、中层和高层建筑的地震响应，本研究阐明了 SSI 条件下基础隔震的频率依赖有效性，并表明忽略 SSI 会导致在不同建筑类别和地震类型下高估隔震系统的性能。

章节摘要

数值建模

在本研究中，通过简化集中质量模型采用纽马克β法进行结构的动力分析。土壤建模和 BI 系统集成的逐步详情如下所示。耦合动力方程使用具有恒平均加速度参数（beta = 1/6）、（gamma = 1/2）的隐式纽马克 -β法求解，这对于线性动力分析是无条件稳定的，不需要任何额外的算法阻尼

数值实现

模拟中使用开发的 MATLAB 代码使得能够应用实施数值模型所需的所有条件。

结论

本研究考虑 SSI 的影响，调查了 BI 系统对低层、中层和高层基础隔震剪切型建筑抗震性能的影响。数值研究考虑了城市中常见的三种具有不同基本结构频率的不同建筑。为了全面研究地震对不同高度建筑结构（低层、中层和高层建筑）的影响，地震记录

CRediT 作者贡献声明

Rahul Kumar: 写作 - 初稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。 Raushan Kumar: 写作 - 初稿，方法论，调查，概念化。 Sidhartha Sankar Roy: 写作 - 审查与编辑，写作 - 初稿，可视化，方法论，概念化。 Kishore Chandra Biswal: 监督。

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

Rahul Kumar|Raushan Kumar|Sidhartha Sankar Roy|Kishore Chandra Biswal

印度乌里尔凯拉国立理工学院土木工程系