群樁-土-結(jié)構(gòu)（PGSS）相互作用體系的動(dòng)力有限元方法研究.pdf

1、隨著計(jì)算手段和試驗(yàn)條件的提高，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于樁(基礎(chǔ))-土-結(jié)構(gòu)物的研究遵循著理論先行，合理配置實(shí)驗(yàn)相輔驗(yàn)證的思路；但關(guān)于相應(yīng)的工程抗震概念設(shè)計(jì)方法較少，整個(gè)體系各部、各構(gòu)件的量化研究工作也甚少，加之規(guī)范條文對(duì)共同作用所能提供的依據(jù)也僅限于經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，可能會(huì)給計(jì)算造成較大誤差而難以滿足工程需要。開(kāi)展(樁)土-結(jié)構(gòu)相互作用體系的計(jì)算理論研究，并以振動(dòng)臺(tái)模型為計(jì)算模擬對(duì)象，對(duì)進(jìn)一步定性、量化分析群樁-土-高層結(jié)構(gòu)(PGSS)體系的動(dòng)力相互作用

2、的規(guī)律和效果，而有效運(yùn)用至工程實(shí)際中有著重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。 本研究的主要內(nèi)容是結(jié)合土-基礎(chǔ)-結(jié)構(gòu)的相互作用的實(shí)質(zhì)，針對(duì)動(dòng)力作用下樁承結(jié)構(gòu)體系的自身屬性，開(kāi)展全域內(nèi)的三維群樁-土-上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力有限元數(shù)值模擬，這其中包含結(jié)構(gòu)與樁(承臺(tái)基礎(chǔ))動(dòng)力特征以及與近、遠(yuǎn)場(chǎng)土域耦合等方面的綜合考慮分析，并為實(shí)際的工程設(shè)計(jì)提供合理、有效的計(jì)算模型。其主要技術(shù)思路及工作內(nèi)容如下： 根據(jù)遠(yuǎn)域2D、3D單向、雙向及三向耦合映射無(wú)限單元計(jì)算

3、式以適應(yīng)邊區(qū)及角區(qū)土域的劃分，不僅能與各種平面、空間有限單元耦合，而且還能與周圍的單向及多向無(wú)限元保持位移協(xié)調(diào)以形成二維、三維全匹配型有限-無(wú)限映射單元。實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)限體的全域不遺漏計(jì)算，其單元網(wǎng)格亦可根據(jù)需要進(jìn)行任意規(guī)則或不規(guī)則劃分，可用于半無(wú)限地基上的經(jīng)典問(wèn)題數(shù)值分析、土-彈性基礎(chǔ)板(筏)相互作用分析以及遭受軸、剪、彎等荷載作用形式的單(群)樁-土靜力反應(yīng)計(jì)算，以為后續(xù)的動(dòng)力分析打下基礎(chǔ)。 在無(wú)限單元靜態(tài)分析的基礎(chǔ)上，提出了土

4、-基礎(chǔ)相互作用動(dòng)態(tài)分析方法，導(dǎo)出了具有不同波動(dòng)組合位移衰減型式的二維、三維諧振無(wú)限元，計(jì)算了置于彈性半空間上、層狀半空間上遭受諧振力條形基礎(chǔ)和三維剛性圓盤的無(wú)量綱位移函數(shù)隨頻變化曲線。在樁基靜態(tài)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立了土-樁基礎(chǔ)相互作用動(dòng)態(tài)分析模型，并將其應(yīng)用到單、群樁的動(dòng)力計(jì)算中；采用有限元與諧振無(wú)限元耦合方法描述了豎向、水平及彎矩諧振作用下具有底部有限節(jié)點(diǎn)固定，周邊無(wú)限邊界的端承單、群樁及具有無(wú)限制邊界、全域無(wú)限元的摩擦單、群樁在

5、不同土性中的動(dòng)力反應(yīng)。 當(dāng)上部結(jié)構(gòu)類型復(fù)雜，土層屬性復(fù)雜、樁數(shù)較多且基樁布置不均時(shí)，給群樁-土-結(jié)構(gòu)的平面取榀分析或三維計(jì)算帶來(lái)一定困難；而若直接取土的實(shí)體單元而建立的整體有限元模型進(jìn)行動(dòng)力分析，則在目前的計(jì)算條件下其計(jì)算過(guò)程是難以為繼的，一般需要分成兩步法來(lái)實(shí)施：因此，需對(duì)樁-土子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，才能快速而有效地反映結(jié)構(gòu)各部件SSI效應(yīng)。結(jié)合簡(jiǎn)化阻抗法思想和有限元方法各自的優(yōu)點(diǎn)，提出了幾種均質(zhì)/層狀地基中，考慮復(fù)雜群樁-

6、土效應(yīng)的簡(jiǎn)化全三維結(jié)構(gòu)動(dòng)力有限元計(jì)算方法：采用連續(xù)分布的彈簧-阻尼動(dòng)力文克梁樁土模式與結(jié)構(gòu)有限元法，建立了不考慮樁-土-樁相互作用的樁(筏)-土-高層結(jié)構(gòu)時(shí)域分析模型；結(jié)合三維相互作用結(jié)構(gòu)的二步動(dòng)力有限元分析，導(dǎo)出了考慮群樁剛體、慣性效應(yīng)作用時(shí)的結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)程積分方程式，引入具有樁(筏)-土阻抗特性的彈阻單元來(lái)描述不同群樁布置、土層狀況因素對(duì)體系反應(yīng)的參與作用的考慮群樁效應(yīng)的相互作用結(jié)構(gòu)體系模型；結(jié)合頻域內(nèi)樁土子結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化線性、非線性

7、動(dòng)力文克爾梁理論，引入各種具有S-R阻抗特征的彈阻單元作為樁-樁、樁周土近、遠(yuǎn)域以及土-筏基礎(chǔ)之間的一種反饋力邊界，形成了既能反映了樁土基礎(chǔ)的柔性參與，又極大降低了模型解題規(guī)模的考慮樁-土-樁非線性相互作用的近、遠(yuǎn)域整體PGSS體系模型。 結(jié)合本所已實(shí)施完成的地基-結(jié)構(gòu)室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，以各種簡(jiǎn)化等代動(dòng)力有限元模型對(duì)體系的模態(tài)特征以及相應(yīng)的時(shí)程反應(yīng)開(kāi)展數(shù)值計(jì)算分析，通過(guò)上部結(jié)構(gòu)剛度、構(gòu)件布置、群樁、基礎(chǔ)及土層屬性的變化來(lái)反映相

8、互作用因素對(duì)SSI效應(yīng)的影響，并作出簡(jiǎn)單的強(qiáng)度、剛度以及延性變形對(duì)比，以加強(qiáng)共同作用理論應(yīng)用的概念設(shè)計(jì)。由于樁基結(jié)構(gòu)的特殊性，一些關(guān)于土-結(jié)構(gòu)物體系的一般性特點(diǎn)可能會(huì)有所弱化或更顯著，甚至出現(xiàn)不同的新特征。本研究模型對(duì)于不同的群樁-土體系以及上部結(jié)構(gòu)特征其結(jié)果并不一定具有普適性，但通過(guò)“一對(duì)一”的工程具體進(jìn)行計(jì)算后歸納出其共性，是能對(duì)今后相互作用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范化過(guò)程有所裨益的。 本研究的目的在于建立起一種為在抗震設(shè)計(jì)中較為精確地

9、考慮上、下部結(jié)構(gòu)共同作用的數(shù)值計(jì)算概念，以提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員依據(jù)結(jié)果對(duì)相互作用問(wèn)題有更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)；考慮到且樁基-土體的參與對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的貢獻(xiàn)是不同的，對(duì)于一些規(guī)范中未作相互作用驗(yàn)算要求的結(jié)構(gòu)型式在一定的樁土條件下可能反而會(huì)有更強(qiáng)的動(dòng)力相互作用效應(yīng)，而按一般概念上的單純根據(jù)位移的增大或加速度的減少來(lái)判別共同作用的產(chǎn)生大小是不合理的，本研究試圖通過(guò)不同結(jié)構(gòu)體系的數(shù)值計(jì)算，引入群樁相互作用的結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，從而可以從量化和定性兩方面來(lái)較簡(jiǎn)捷