成層地基—樁基—上部結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用理論分析與試驗(yàn)研究.pdf

1、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－基礎(chǔ)－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。廣大研究者和工程技術(shù)人員在實(shí)踐中已經(jīng)意識(shí)到將上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)考慮作為一相互作用的整體進(jìn)行設(shè)計(jì)的必要性和優(yōu)越性，無(wú)論是對(duì)于靜力還是動(dòng)力特性研究，樁－土－結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體計(jì)算出的結(jié)果不僅與通常的剛性地基假定所得有較大出入，而且不同土層土質(zhì)、樁屬性條件下的相互作用體系所表現(xiàn)的受力與變形特點(diǎn)也不盡相同

2、。本文工作將圍繞地基－基礎(chǔ)－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樁基－建筑物的動(dòng)力相互作用特性研究，試圖通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究，認(rèn)識(shí)地基－基礎(chǔ)－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)，亦為考慮成層地基－樁基－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。本文共分為七章，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)外開展土－結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用研究的現(xiàn)狀與發(fā)展水

3、平，對(duì)地基－樁－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)樁基上下部結(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、對(duì)模型試驗(yàn)的場(chǎng)地土進(jìn)行了動(dòng)力特性對(duì)比試驗(yàn)研究。通過(guò)動(dòng)模量的室內(nèi)外試驗(yàn)以及室內(nèi)對(duì)比試驗(yàn)，比較了室內(nèi)外試驗(yàn)確定的動(dòng)模量的差異。同時(shí)研究室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)和循環(huán)單剪試驗(yàn)所確定的土動(dòng)力參數(shù)，并比較了它們的差異，分析了試驗(yàn)結(jié)果差異的原因。并首次運(yùn)用最新引進(jìn)的循環(huán)單剪

4、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)。 3、考慮土的動(dòng)力非線性這一特征，計(jì)入土動(dòng)模量隨動(dòng)應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)而衰減的影響，首次提出了考慮土動(dòng)模量衰減的粘性和粘彈性人工邊界，并研究了其相應(yīng)的邊界反射系數(shù)。這兩種新的人工邊界可有效消除波在人工邊界上的反射，且能有效模擬波由近場(chǎng)向遠(yuǎn)場(chǎng)的傳播。算例表明這兩種邊界具有一定的穩(wěn)定性，可用于長(zhǎng)持時(shí)間的土體波動(dòng)問(wèn)題。其中粘彈性人工邊界包括二維出平面切向、平面內(nèi)切向、平面內(nèi)

5、法向粘彈性人工邊界公式和三維切向、三維法向粘彈性人工邊界公式，并分別通過(guò)算例檢驗(yàn)了它們的穩(wěn)定性和有效性。 4、研究了現(xiàn)有常用的接觸面模型的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)目前應(yīng)用較多的大型通用有限元軟件MSC.Marc軟件和ANSYS軟件中接觸模型的計(jì)算理論進(jìn)行了評(píng)述。從而提出了一種新的二維和三維樁土動(dòng)力接觸模型的本構(gòu)行為，并推導(dǎo)了其相應(yīng)的接觸單元的單元?jiǎng)偠染仃嚒Ｐ履Ｐ涂紤]了動(dòng)力作用中樁土分離、滑移以及基礎(chǔ)提離效應(yīng)，并引入了阻尼成分考慮樁土動(dòng)力接觸

6、中的能量損耗。 5、土－結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用問(wèn)題的研究中，最大的困難是缺乏必要的實(shí)際數(shù)據(jù)，因而使土－結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的分析存在著許多不確定性，限制了其在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。因此本文的一大亮點(diǎn)就在于對(duì)此方面做了部分工作，對(duì)上部結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)的一個(gè)1：2的模型進(jìn)行了頂層牽引激振和頂層機(jī)械激振的試驗(yàn)研究，得到了大量有益的數(shù)據(jù)，對(duì)認(rèn)識(shí)地基－樁－上部結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用機(jī)理和驗(yàn)證相互作用分析理論將起到重要作用。 6、以大比例模型試驗(yàn)為基

7、礎(chǔ)，運(yùn)用通用有限元軟件MSC.MARC，建立了試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)的三維有限元模型，計(jì)算了體系的自振頻率，并按模型試驗(yàn)工況進(jìn)行了試驗(yàn)的有限元數(shù)值模擬分析，同試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較分析，驗(yàn)證了所建立有限元模型的可靠性。并分別進(jìn)行了采用不同頻譜特性地震動(dòng)輸入下的地震反應(yīng)分析，總結(jié)了相互作用體系的一些規(guī)律。同時(shí)研究了場(chǎng)地土性不同、上部結(jié)構(gòu)剛度不同等因素對(duì)相互作用體系的影響，得到了一些有益的結(jié)論。 7、首次提出了基于土－結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的隔震思路。