地基土——高層建筑相互作用的動態(tài)子結(jié)構(gòu)法.pdf

1、隨著現(xiàn)代化大城市的迅速發(fā)展,用地緊張的問題日益凸顯,高層建筑以其能夠節(jié)約城市用地,有效利用建筑空間等優(yōu)點而逐漸被人們所采納。而我國地處地震多發(fā)區(qū),由此,高層建筑的抗震問題也日益受到工程界的關(guān)注。建筑結(jié)構(gòu)的震害與地基條件密切相關(guān),因此,在高層建筑的抗震設(shè)計和分析過程中考慮土一結(jié)構(gòu)相互作用的影響十分必要。但對于現(xiàn)有的分析手段而言,計算成本高、過程繁瑣、難以在實際工程中操作應用等因素是影響土一結(jié)構(gòu)相互作用分析的關(guān)鍵難題,尋求一種高效便捷的數(shù)值

2、模擬方法具有重要的理論意義和工程價值。因此,課題針對上述關(guān)鍵問題做了一系列的工作,主要的創(chuàng)新工作與成果有:
　　 (1)對動態(tài)子結(jié)構(gòu)法的研究現(xiàn)狀及其分類進行了探討。重點針對動態(tài)子結(jié)構(gòu)法中的約束模態(tài)綜合法進行了細致的討論,并將其應用到土-高層建筑相互作用體系的模態(tài)分析以及彈性時程分析過程中,同時對非比例阻尼體系中阻尼矩陣的處理以及對接界面自由度的縮減方法進行了一些探討,由算例的分析過程可知,約束模態(tài)綜合法對于土-高層建筑相互作用體

3、系的模態(tài)分析以及彈性時程分析是完全適用的;
　　 (2)在深入分析約束模態(tài)綜合法原理的基礎(chǔ)上,定義了由不同主模態(tài)截斷階數(shù)產(chǎn)生的位移向量組成的線性空間,建立該空間上的一個函數(shù),通過數(shù)學定理詳細證明了該函數(shù)是線性空間上的范數(shù),并以該范數(shù)的最大值定義勢能判據(jù),推導出勢能判據(jù)與子結(jié)構(gòu)主模態(tài)截斷數(shù)量之間的關(guān)系,據(jù)此提出了一種基于勢能判據(jù)的子結(jié)構(gòu)主模態(tài)截斷準則——勢能判據(jù)截斷準則,為約束模態(tài)綜合法的應用提供了便利條件;
　　 (3)

4、針對二維模型,利用約束模態(tài)綜合法,根據(jù)結(jié)構(gòu)存在局部塑性區(qū)域的特點,提出了線性-非線性混合的約束模態(tài)綜合法。該方法的基本思路是:對于荷載作用下整體體系中不易進入非線性階段的部件,將其劃分為線性子結(jié)構(gòu),而將體系中易進入非線性階段、產(chǎn)生塑性變形的局部部件獨立劃分為非線性子結(jié)構(gòu),通過坐標變換來縮減線性子結(jié)構(gòu)的自由度,最終與物理坐標下的非線性子結(jié)構(gòu)進行綜合求解。二維地基土-高層建筑非線性地震響應分析表明線性-非線性混合的約束模態(tài)綜合法是有效的,并

5、且計算結(jié)果具有較高的求解精度和計算效率。
　　 (4)將線性-非線性混合的約束模態(tài)綜合法推廣至三維模型的動力分析問題中,給出了當非線性子結(jié)構(gòu)與多個線性子結(jié)構(gòu)存在邊界耦合情況的計算方法。針對兩種不同的整體土域邊界條件分別進行了多組地震動激勵作用下的動力時程分析,算例結(jié)果驗證了方法的精確性與有效性。同時針對非線性土體區(qū)域范圍的多種不同取值進行了多組數(shù)值試驗,數(shù)值試驗的結(jié)果進一步說明了當對分析具有一定經(jīng)驗時,采用線性-非線性混合的約束

6、模態(tài)綜合法能夠在更大程度上提高計算效率;
　　 (5)為了便于在專業(yè)設(shè)計軟件中考慮土-結(jié)相互作用的影響,在線性-非線性混合的約束模態(tài)綜合法以及分枝模態(tài)法的基礎(chǔ)上,提出了適用于非線性土-結(jié)構(gòu)相互作用體系的分枝模態(tài)與約束模態(tài)的混合方法。在該混合方法的基礎(chǔ)上進一步提出了混合二步分析法。分析結(jié)果表明,該混合二步分析法在實現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)和地基土“分開”計算的同時,還能夠考慮結(jié)構(gòu)與地基土的材料非線性特性,有利于采用專業(yè)設(shè)計軟件僅通過對上部結(jié)構(gòu)進