土—箱基—框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的試驗(yàn)研究與理論分析.pdf

1、地基一基礎(chǔ)一上部結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用問(wèn)題的研究對(duì)正確預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)具有十分重要的意義，也是近二、三十年來(lái)地震工程研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)課題之一。目前大量的理論分析和研究表明，在地基土質(zhì)較軟的情況下，地基一基礎(chǔ)一上部結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用對(duì)結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力特性具有十分重要的影響，其地震響應(yīng)將發(fā)生顯著的變化，我國(guó)現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)對(duì)高層建筑在考慮地基一基礎(chǔ)一上部結(jié)構(gòu)共同作用下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也作了一定解釋。但許多理論研究

2、結(jié)果由于缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證難以指導(dǎo)實(shí)際工程設(shè)計(jì)。 本文針對(duì)上述現(xiàn)象，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了土一箱基一框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用體系的野外現(xiàn)場(chǎng)大比例(1/2)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。該試?yàn)?zāi)Ｐ徒ㄔ谡鎸?shí)無(wú)限域場(chǎng)地土上，避免了截?cái)嗳斯ね翆訋?lái)的試驗(yàn)誤差，同時(shí)上部結(jié)構(gòu)采用7層12m高的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，避免了常規(guī)小比例模型由于難以滿足相似關(guān)系而不能作定量研究的缺點(diǎn)。該大比例模型試驗(yàn)是目前國(guó)際上最大比例的框架結(jié)構(gòu)與地基動(dòng)力相互作用模型試驗(yàn)。 在野外大比例模型試驗(yàn)的基

3、礎(chǔ)上，本文工作將圍繞地基一基礎(chǔ)一上部結(jié)構(gòu)共同作用這一課題作進(jìn)一步探討，側(cè)重于水平地震作用下成層地基中的箱基一建筑物的動(dòng)力相互作用特性研究，通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究，認(rèn)識(shí)地基一基礎(chǔ)一上部結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用機(jī)理，為實(shí)踐應(yīng)用提供指導(dǎo)，亦為考慮層狀土一箱基一上部結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的抗震設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)和設(shè)計(jì)建議。本文共分為六章，分別做了如下工作： 1、通過(guò)對(duì)大量相關(guān)文獻(xiàn)的概括總結(jié)，評(píng)述了國(guó)內(nèi)外開(kāi)展土一結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用研究的現(xiàn)狀與發(fā)展水平

4、，對(duì)地基一樁一上部結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的方法進(jìn)行了歸納總結(jié)，分析了已有研究工作成果的局限性及優(yōu)缺點(diǎn)，提出了本文針對(duì)箱基上下部結(jié)構(gòu)體系所采用的理論和試驗(yàn)研究途徑以及基本框架思路。 2、完成了野外大比例(1／2)土一箱基一框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)內(nèi)容包括上部結(jié)構(gòu)空載、半載和滿載三種工況下的結(jié)構(gòu)脈動(dòng)、牽引、頂部激振和爆破震動(dòng)試驗(yàn)以及上部結(jié)構(gòu)滿載情況下箱基半開(kāi)挖和全開(kāi)挖工況下的結(jié)構(gòu)脈動(dòng)、牽引和頂部激振試驗(yàn)。獲取了一系列有價(jià)值的寶

5、貴試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，探討了相互作用對(duì)體系動(dòng)力特性以及動(dòng)力反應(yīng)的影響。 3、對(duì)模型試驗(yàn)的層狀場(chǎng)地土分別通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)下孔法剪切波速試驗(yàn)和室內(nèi)循環(huán)單剪試驗(yàn)進(jìn)行了動(dòng)力特性對(duì)比試驗(yàn)研究。首次運(yùn)用最新引進(jìn)國(guó)內(nèi)唯一的循環(huán)單剪系統(tǒng)，對(duì)場(chǎng)地內(nèi)各層土分別進(jìn)行循環(huán)單剪試驗(yàn)，確定了場(chǎng)地各土層的動(dòng)力特性指標(biāo)?，F(xiàn)場(chǎng)剪切波速試驗(yàn)計(jì)算得到的各土層的最大動(dòng)剪切模量Gdmax值與實(shí)驗(yàn)室循環(huán)單剪試驗(yàn)得到的相應(yīng)Gdmax值比較接近，說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

6、得到的動(dòng)剪模量值均比較可信，兩者可以互相驗(yàn)證。 4、根據(jù)散射外行波的傳播特征，推導(dǎo)了考慮外行波振幅衰減特性的衰減波多次透射公式(MTF)，并研究了相應(yīng)的人工邊界反射系數(shù)和衰減波多次透射人工邊界(包括二維和三維情況下的衰減波多次透射人工邊界)。在前人工作的基礎(chǔ)上歸納并推導(dǎo)了二維和三維粘彈性人工邊界的邊界人工元件系數(shù)計(jì)算公式。最后通過(guò)對(duì)有限元程序ANSYS進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，成功編制程序包將多次透射人工邊界以及粘彈性人工邊界嵌入ANSYS

7、主程序中。通過(guò)典型算例將衰減波多次透射人工邊界和無(wú)衰波多次透射人工邊界以及目前應(yīng)用較廣的粘彈性人工邊界進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了衰減波多次透射人工邊界的邊界反射系數(shù)小于無(wú)衰波多次透射邊界和粘彈性人工邊界的邊界反射系數(shù)；同時(shí)多次透射人工邊界在精度和靈活程度上優(yōu)于粘彈性人工邊界。 5、以大比例模型試驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用通用有限元程序ANSYS，針對(duì)野外試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行三維有限元分析，在ANSYS程序中建立了計(jì)算模型，提出了一套用ANSYS程序進(jìn)行相

8、互作用研究的計(jì)算分析方法。通過(guò)對(duì)有限元程序ANSYS進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，成功編制程序包將土體等效非線性本構(gòu)模型嵌入ANSYS主程序中，最后通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比研究驗(yàn)證了計(jì)算模型的合理性。在此基礎(chǔ)上，分別研究了地震波強(qiáng)度以及頻譜特性對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響，總結(jié)了相互作用體系的一些規(guī)律。同時(shí)還研究了土層結(jié)構(gòu)不同、場(chǎng)地土土性不同、基礎(chǔ)周圍回填土深度變化、上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量不同以及上部結(jié)構(gòu)剛度不同對(duì)相互作用體系地震反應(yīng)的影響，得到了一些有益的結(jié)論。在計(jì)算建模

9、時(shí)著重土體材料非線性模擬、土體截?cái)嗵幦斯み吔绲哪M等問(wèn)題。 6、在前述研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)有限元計(jì)算模型進(jìn)行擴(kuò)展，研究了兩棟以及三棟相鄰建筑物之間的動(dòng)力相互作用對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響?？紤]了相鄰建筑物間結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性不同、距離遠(yuǎn)近、基礎(chǔ)周圍回填土性不同對(duì)彼此之間相互作用的影響，并對(duì)規(guī)律性結(jié)果進(jìn)行了歸納總結(jié)。 7、通過(guò)頂部激振試驗(yàn)，利用公式反演的方法計(jì)算得到了基礎(chǔ)動(dòng)力阻抗，并且通過(guò)對(duì)箱形基礎(chǔ)周圍回填土進(jìn)行開(kāi)挖，得到了不同基礎(chǔ)側(cè)