土-細長結(jié)構(gòu)物相互作用的非線性動力學(xué)研究.pdf

1、 在土木工程領(lǐng)域，土-結(jié)構(gòu)相互作用問題是結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析及相關(guān)設(shè)計的重要組成部分。在地震動激勵下，以大跨度橋梁和重大巖土工程為例，其下部結(jié)構(gòu)物的動力響應(yīng)均對結(jié)構(gòu)體系的抗震性能有重要影響。由工程實際可知，結(jié)構(gòu)物的下部基礎(chǔ)通常為細長結(jié)構(gòu)物，且按基本特征可分為橫向細長結(jié)構(gòu)物(彈性地基梁)和縱向細長結(jié)構(gòu)物(樁)。從傳統(tǒng)的觀點看，已有研究普遍認為彈性地基對其支承結(jié)構(gòu)物有較強的約束作用，并將顯著抑制土-結(jié)構(gòu)相互作用的動力響應(yīng)。因此，對于土-細長結(jié)

2、構(gòu)物相互作用的已有研究則多關(guān)注其線性特性，并弱化了土-結(jié)構(gòu)相互作用特性對于結(jié)構(gòu)物動力響應(yīng)的影響效應(yīng)。顯然，將非線性動力學(xué)理論運用到土-細長結(jié)構(gòu)物相互作用動力響應(yīng)建模及分析的研究仍十分少見。
為精確揭示土-細長結(jié)構(gòu)物相互作用的動力響應(yīng)，需要將土-結(jié)構(gòu)相互作用效應(yīng)在結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)中的貢獻引入到系統(tǒng)的建模分析中。通過系統(tǒng)研究可知，若考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用引起的二次彎矩效應(yīng)，則土-細長結(jié)構(gòu)物相互作用精細化模型的非線性動力學(xué)方程中將含有多

3、種非線性項：平方非線性、立方非線性和參數(shù)激勵項。因此，從非線性動力學(xué)角度看，此時土-細長結(jié)構(gòu)物相互作用的動力響應(yīng)中可能存在非常豐富的非線性動力學(xué)現(xiàn)象。為全面揭示土-細長結(jié)構(gòu)物相互作用的非線性動力學(xué)特性，本論文考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用影響效應(yīng)及細長結(jié)構(gòu)物的幾何非線性，建立了彈性地基梁和樁的精細化動力學(xué)模型。進而，結(jié)合非線性動力學(xué)理論，運用多尺度方法對土-細長結(jié)構(gòu)物的非線性動力響應(yīng)進行系統(tǒng)研究。同時，基于理論計算結(jié)果，分析了彈性地基參數(shù)、地基模

4、型、邊界約束等對土-細長結(jié)構(gòu)物相互作用非線性動力響應(yīng)的影響。最終，為促進研究成果的應(yīng)用，與理論試驗設(shè)計和統(tǒng)計分析相結(jié)合，針對土-細長結(jié)構(gòu)物相互作用的非線性動力響應(yīng)提出了動力參數(shù)篩選及設(shè)計方法。本論文的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點為以下幾個方面：
1. 鑒于土-結(jié)構(gòu)相互作用問題的重要性，本文首次將土-結(jié)構(gòu)相互作用引起的二次彎矩效應(yīng)引入到非線性動力學(xué)研究中?；诒疚难芯靠芍?，土-結(jié)構(gòu)相互作用引起的非線性特性可歸為一類新的非線性現(xiàn)象。新非線性

5、特性的發(fā)現(xiàn)拓展了非線性動力學(xué)的理論研究，有重要的理論意義。
2. 為研究彈性地基模型對其支承結(jié)構(gòu)物動力響應(yīng)特性的影響，本文在推導(dǎo)出三參數(shù)(Kerr模型)地基反力的顯式近似表達式的基礎(chǔ)上，給出了四種常見模型(Winkler、Vlasov、Pasternak、Kerr)地基反力的統(tǒng)一表達式。進而，提出了彈性地基模型對結(jié)構(gòu)物動力響應(yīng)影響效應(yīng)的對比評價方法。
3. 將土-結(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生的二次彎矩效應(yīng)引入到土-細長結(jié)構(gòu)物

6、的動力學(xué)建模中，分別利用Newton法和Hamilton原理建立了彈性地基梁的非線性動力學(xué)模型。進而，研究了土-結(jié)構(gòu)相互作用效應(yīng)對于彈性地基梁非線性動力響應(yīng)特性的影響。并且，通過彈性地基梁非線性內(nèi)共振響應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，二次彎矩效應(yīng)導(dǎo)致了連續(xù)系統(tǒng)保守特性的破壞。
4. 基于本文所建模型，對彈性地基梁的自由振動進行了分析，發(fā)現(xiàn)其面內(nèi)運動固有頻率譜中存在截止頻率。進而，對比研究了系統(tǒng)在截止頻率前后的模態(tài)構(gòu)型及線性和非線性動力響應(yīng)特性。

7、顯然，本文提出的精細化模型可更全面地揭示不同場地支承時細長結(jié)構(gòu)物的動力學(xué)特性。
5. 將二次彎矩效應(yīng)影響引入到縱向細長結(jié)構(gòu)物的動力響應(yīng)研究中，運用Hamilton原理建立了水平/軸向受荷樁的非線性動力學(xué)分析模型。進而，與非線性動力學(xué)理論相結(jié)合，研究了樁的多階屈曲現(xiàn)象及屈曲頻率問題。為拓展研究并結(jié)合工程實踐需求，在群樁基礎(chǔ)的非線性動力響應(yīng)研究中考慮群樁效應(yīng)影響，并對比研究了群樁效應(yīng)對系統(tǒng)動力響應(yīng)中土-結(jié)構(gòu)相互作用效應(yīng)的影響。