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《大连理工大学》 2005年
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结构-地基动力相互作用的时域数值分析方法研究

李建波  
【摘要】:在水坝、桥梁等大型建筑物的地震响应分析中,结构与半无限地基间的动力相互作 用始终是一个重要的研究领域。但由于问题的复杂性,在其数值模拟过程中存在诸多困 难,使得动力相互作用分析目前仍多限于频域或时频联合的求解模式,存在许多不尽人 意之处。其实,从理论发展的角度比较来看:首先,时域数值分析适宜考虑结果破坏阶 段的系统非线性力学特征,并能提供结构与地基的瞬时响应,较频域算法结果更具信息 完备的特点;其次,子结构分析模式便于单独分析结构与地基两组成因素的动力特征, 分别建立相应的动力计算模型,与直接法需要将结构与地基一体化并建立形式复杂的系 统运动方程相比,大大简化了建立系统动力计算模型的复杂度和求解难度。因此可以说, 时域子结构数值求解算法是动力相互作用分析研究的一个重要发展方向。 进而,以动力相互作用时域数值分析的具体实现为目的,本文基于阻尼溶剂抽取时 域算法(DSEM),在有限元法框架内,从无限地基动力计算模型的建立,输入地震波计 算模型的建立,到散射场波动问题求解,相互作用系统动力响应分析,结果数据场的图 形分析与处理等方面,开展了一系列研究工作: 1. 从结构-地基交界面节点的力平衡与运动协调条件出发,推导了动力相互作用时 域子结构分析的基本动力方程;从结构的一般动力平衡方程出发,推导了动力相互作用 时域直接法分析的基本动力方程。两者经简化后,可获得目前常用的各类结构地震响应 分析计算模型。这些为文中后续工作的开展提供了理论依据。 2. 从模拟无限域辐射阻尼效应的基本原理出发,推导了逐步积分格式的表述地基在 交界面位置力与变位关系的阻尼溶剂抽取时域实现算法。该地基时域计算模型避免了其 他地基模型在时程分析中普遍存在的复杂卷积求解问题,从而为动力相互作用的时域数 值分析带来极大的便利。 3. 动力相互作用时域分析中,通常需要同时输入地震波的加速度、速度及位移时程。 然而,基于加速度记录做数值积分获得的地震位移曲线往往存在明显的基线漂移现象。 为此,文中提出了加速度长周期校正的时频联合两步算法。首先是时域预校正,即基于 最小二乘拟合技术,从加速度记录中扣除二次曲线形式的微弱的非零基线;然后,针对 预校正后积分位移时程仍可能存在的基线长周期摆动现象,在低频区间内对加速度记录 再次进行傅立叶窗函数部分滤波操作。 4. 为反映不规则场地条件(如基坑散射场)对相互作用输入地震动产生的影响,文中 以动力相互作用时域分析为手段,并利用2) 中建立的地基无限域时域计算模型,提出了 散射场波动问题的时域逐步求解算法。新算法适应散射场表面形状复杂多变的情况,并 可直接求取散射场波动的时程响应。 5. 将2) 中基于阻尼溶剂抽取时域算法建立的地基动力计算模型,引入到1) 中推导 的时域子结构分析基本动力方程中,提出了动力相互作用分析的时域分区逐步积分算法 (SS-DSEM)。算法完全在有限元法框架内实现,体现了时域数值算法信息完备的优势, 且逐步积分形式的实现更利于在大规模结构抗震分析中采用。 6. 针对有限元数据场的图形分析与处理,基于单元本身的插值性质,完善与发展了 母单元绘制技术,克服了计算机图形学经典绘制技术中容易造成有限元模型拓扑结构被 大连理工大学博士学位论文 破坏、单元有用信息丢失等缺陷。提出了高效的三维实体有限元图形处理的整套母单元 可视化绘制算法,包括变位云图、高斯应力云图、三维场切片云图,层片/表面云图, 等值线/等值面绘制等,可以使整个数据场后处理过程达到有限元分析的精度,尤其适 合高阶插值数据场的图形分析与处理。 在以上基本原理阐述与公式推导的同时,文中详细地给出了各步骤的具体实现算 法,并开发了相应的数值分析程序。算例试验表明,本文算法完全在有限元法框架内实 现,在应用方面具有良好的适宜性和可扩展性,为结构一无限地基动力相互作用大规模 空间问题的解决提供了可靠的数值处理手段。 关键词:结构一地基动力相互作用,时域数值算法,子结构,有限单元法,阻尼溶剂抽 取法,无限地基,动刚度,地震波,波动散射,可视化,前后处理 一11-
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2005
【分类号】:TU470

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【引证文献】
中国期刊全文数据库 前6条
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中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 牛志国;李同春;石现春;高勇;;人工地震波的最小二乘校正[A];首届全国水工抗震防灾学术会议论文集[C];2006年
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1 何伟;地下结构地震响应及其与地表建筑的影响研究[D];大连理工大学;2011年
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4 赵兰浩;考虑坝体—库水—地基相互作用的有横缝拱坝地震响应分析[D];河海大学;2006年
5 焦长洲;地震作用下隧道式复合锚碇动力响应分析[D];西南交通大学;2008年
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7 尹训强;结构—地基动力相互作用计算模型的改进及其工程应用[D];大连理工大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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7 杨志华;水泥土搅拌桩复合地基振动性能时程分析[D];大连理工大学;2006年
8 马秀平;动力相互作用的阻尼溶剂抽取算法研究[D];大连理工大学;2006年
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10 梁金福;结构与地基相互作用的动力响应研究[D];广西大学;2007年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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6 周雍年,章文波,于海英;数字强震仪记录的长周期误差分析[J];地震工程与工程振动;1997年02期
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中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 杨晓松;三维有限元数据场可视化技术研究与实现[D];大连理工大学;2000年
2 刘永军;钢筋混凝土结构火灾反应数值模拟及软件开发[D];大连理工大学;2002年
3 胡志强;考虑坝—基动力相互作用的有横缝拱坝地震响应分析[D];大连理工大学;2004年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
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【共引文献】
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10 李培振;吕西林;陈跃庆;;地基—基础—支护结构—上部结构动力相互作用体系的计算分析研究[J];四川建筑科学研究;2006年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 常丽娟;刘浩宇;田歌;;基于推进波前法和Delaunay三角法相结合的网格划分方法的研究[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年
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4 傅毅;徐亚丰;赵鑫;;不同偏心率十字形钢管混凝土芯柱耐火极限分析[A];科技创新与产业发展(A卷)——第七届沈阳科学学术年会暨浑南高新技术产业发展论坛文集[C];2010年
5 苏成;徐瑞;;大型复杂结构非平稳随机振动时域显式法[A];全国结构振动与动力学学术研讨会论文集[C];2011年
6 周俊;塔娜;饶柱石;;杆系结构振动计算的解析节点法[A];第十届全国振动理论及应用学术会议论文集(2011)下册[C];2011年
7 连海宁;林卫勇;胡进军;;Ⅰ_1建筑场地反应谱参数取值探讨[A];现代振动与噪声技术(第九卷)[C];2011年
8 崔云俊;熊春阳;方竞;;一个网格剖分的组合方法[A];计算力学研究与进展——中国力学学会青年工作委员会第三届学术年会论文集[C];1999年
9 何东升;唐立民;;一种新的广义协调元单元[A];第十届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ卷[C];2001年
10 范立础;王克海;;基于面向对象语言的桥梁结构抗震计算结果的可视化软件开发[A];第十届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ卷[C];2001年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 折勇;直角域中圆形夹杂与裂纹反平面动力的相互作用[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 王学庆;考虑土—结构动力相互作用的巨型框架隔震悬挂结构动力响应分析[D];辽宁工程技术大学;2009年
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4 王德才;基于能量分析的地震动输入选择及能量谱研究[D];合肥工业大学;2010年
5 余志华;基于光波导的芯片间光互连网络的设计与实现[D];华中科技大学;2010年
6 徐瑞;大型复杂结构非平稳随机振动分析方法研究[D];华南理工大学;2010年
7 马立峰;动荷载条件下多年冻土区斜坡路基稳定性研究[D];北京交通大学;2011年
8 刘佩;随机地震作用下结构动力可靠度计算方法研究[D];北京交通大学;2011年
9 姚锦宝;考虑土—结构动力相互作用的轨道交通引起的环境振动及隔振措施研究[D];北京交通大学;2010年
10 华岗;地震体数据可视化与分析研究[D];浙江大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张伟杰;高层建筑和高耸结构的简化动力分析[D];河南理工大学;2010年
2 马飞飞;框架结构轻钢加层的地震反应分析研究[D];山东科技大学;2010年
3 王亚楠;基于光线投射算法的CT图像三维重建与分割剪取[D];山东科技大学;2010年
4 赵奇;医学超声图像三维重建算法研究[D];山东科技大学;2010年
5 宁小文;二阶弹塑性分析在钢结构抗震设计中的应用研究[D];安徽农业大学;2010年
6 周宇龙;基于遗传算法的堤防材料动力特性反演分析[D];郑州大学;2010年
7 宋现洲;某空气压缩机转子轴承系统动力学分析[D];郑州大学;2010年
8 张琰鑫;农村夯土类住宅抗震性能研究[D];郑州大学;2010年
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10 王洪侠;虚拟内窥镜的路径规划问题研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 谷音;刘晶波;;三维结构—地基动力系统高效算法精度问题研究[J];四川建筑科学研究;2007年05期
2 任红梅,林皋;基于SBFEM的地下结构抗震分析[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2005年03期
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5 宫必宁,赵大鹏;地下结构与土动力相互作用试验研究[J];地下空间;2002年04期
6 郑永来,刘曙光,杨林德,童峰;软土中地铁区间隧道抗震设计研究[J];地下空间;2003年02期
7 吴相超,肖本职,彭朝全;重庆长江鹅公岩大桥东锚碇岩体力学参数研究[J];地下空间;2003年02期
8 周健,苏燕,董鹏;软土地层地铁及地下构筑物抗震动力分析研究现状[J];地下空间;2003年02期
9 周林聪,陈龙珠,宫必宁;地下结构地震模拟振动台试验研究[J];地下空间与工程学报;2005年02期
10 何伟;陈健云;于品清;;地下结构开发对场地地表反应谱影响研究[J];地下空间与工程学报;2009年06期
中国重要会议论文全文数据库 前3条
1 刘国明;;重力坝悬臂梁振型分解反应谱法抗震计算程序及其工程应用[A];首届全国水工抗震防灾学术会议论文集[C];2006年
2 李彬;刘晶波;;粘弹性人工边界在Marc中的实现[A];第14届全国结构工程学术会议论文集(第一册)[C];2005年
3 庄海洋;梁艳仙;陈国兴;宰金珉;;地下结构抗震研究方法评述[A];防震减灾工程研究与进展——全国首届防震减灾工程学术研讨会论文集[C];2004年
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1 何伟;地下结构地震响应及其与地表建筑的影响研究[D];大连理工大学;2011年
2 张吉;高层建筑有限元计算软件主要环节改进研究[D];中国建筑科学研究院;2011年
3 李学文;三维摩擦接触问题的非光滑方程组方法研究[D];大连理工大学;2000年
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5 毛坚强;接触问题的一种有限元计算方法及其在岩土工程中的应用[D];西南交通大学;2002年
6 晏启祥;有横缝高拱坝的非线性地震响应分析[D];四川大学;2002年
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8 高峰;地下结构动力分析若干问题研究[D];西南交通大学;2003年
9 梁旭;水泥搅拌桩复合地基动力特性及其与上部结构动力作用研究[D];浙江大学;2003年
10 王进廷;高混凝土坝—可压缩库水—淤砂—地基系统地震反应分析研究[D];中国水利水电科学研究院;2001年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 陈贵红;沉管隧道抗震数值分析[D];西南交通大学;2002年
2 晏成明;大跨度地下结构动力计算模型研究[D];河海大学;2003年
3 翟治年;一个基于ARX/MFC的面向对象桥梁CAD系统——底层机制和构造过程的UML分析[D];合肥工业大学;2003年
4 公茂盛;地震动能量衰减规律的研究[D];中国地震局工程力学研究所;2002年
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10 王一功;特殊场地上的土-结构共同作用初步研究[D];重庆大学;2004年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 熊良宵;李天斌;刘勇;;隧道地震响应数值模拟研究[J];地质力学学报;2007年03期
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3 朱长安;高波;索然绪;;强震区隧道洞口段减震的振动台模型试验[J];公路;2008年06期
4 皇民;潘炳玉;高波;;地震波作用方向对隧道结构动力响应的影响分析[J];公路;2012年01期
5 王永刚;丁文其;景韧;;关山隧道断层破碎带三维有限元地震动力响应[J];公路交通科技;2011年08期
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7 高智能;卓卫东;谷音;;地铁地下结构抗震研究现状[J];福州大学学报(自然科学版);2013年04期
8 屈迪;林皋;李建波;尹训强;;近车站地铁运行引起的环境振动的实验与分析[J];防灾减灾工程学报;2014年02期
9 李群善;陈赤坤;;高填方边坡动力稳定性分析[J];高速铁路技术;2014年02期
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1 龚亚琦;陈琴;崔建华;;坝体—地基—库水体系的动力有限元分析及其工程应用[A];现代水利水电工程抗震防灾研究与进展(2011年)[C];2011年
2 李同春;朱寿峰;赵兰浩;胡继刚;;考虑坝体与坝肩动力相互作用的坝肩稳定动接触降强算法[A];现代水利水电工程抗震防灾研究与进展(2011年)[C];2011年
3 颜天佑;李同春;赵兰浩;;考虑温度荷载的丹江口大坝非线性地震反应分析[A];现代水利水电工程抗震防灾研究与进展(2011年)[C];2011年
4 陶冉冉;任旭华;王超;;地震作用时复杂地质条件下开敞式溢洪道挑坎静动力特性分析[A];现代水利水电工程抗震防灾研究与进展(2011年)[C];2011年
5 张石磊;王焕定;陈少峰;王伟;;多点人工地震记录的积分校正方法[A];第八届全国地震工程学术会议论文集(Ⅰ)[C];2010年
6 胡再强;王军星;刘兰兰;焦黎杰;;褥垫层作用下复合地基抗震性能有限元分析[A];第二届中国水利水电岩土力学与工程学术讨论会论文集(一)[C];2008年
7 焦柯;赵云龙;赖鸿立;;地震波修正软件NewWave的编制及应用[A];计算机技术在工程设计中的应用——第十六届全国工程设计计算机应用学术会议论文集[C];2012年
8 郝明辉;张艳红;;横缝对高拱坝地震响应的影响[A];第22届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ册[C];2013年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王琼;跨断层隧道地震反应分析[D];中国地震局工程力学研究所;2011年
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3 李静;混凝土坝非线性地震响应分析的有关问题研究[D];大连理工大学;2007年
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5 张志超;车桥系统耦合振动和地震响应的随机分析[D];大连理工大学;2010年
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9 陈代海;地震作用下车桥耦合系统动力响应及振动控制研究[D];中南大学;2012年
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1 王松;大型沉箱码头的非线性动力反应分析[D];长沙理工大学;2010年
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3 周继芳;橡胶水泥土桩复合地基与上部结构作用研究[D];沈阳建筑大学;2011年
4 邵润萌;断层错动作用下隧道工程损伤及岩土失效扩展机理研究[D];北京交通大学;2011年
5 刘恺;成兰线跨断层隧道的错动破坏机理研究及地震动力响应分析[D];北京交通大学;2011年
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7 吴耀宗;强震区公路隧道结构安全模糊综合评判方法的研究[D];西南交通大学;2011年
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【二级参考文献】
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【相似文献】
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7 邢恩桥,许国辉,房俊伟,薛红;天津沿海地层静力触探参数与土体物理力学性质对比研究[J];海岸工程;2005年02期
8 武文祥;张亚军;白鹏翔;;支座和地基土对柱式桥墩压杆计算长度的影响[J];山西建筑;2007年11期
9 李延永;郭朝阳;张小冬;;浅谈粉喷桩在加固低填方路基地基中的应用[J];科技信息(科学教研);2007年23期
10 姚成华;曾建华;杨天春;;地基强夯中的瑞利波研究及检测应用[J];西部探矿工程;2008年12期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 姜海西;;桥梁上下部共同作用研究初探[A];第十八届全国桥梁学术会议论文集(下册)[C];2008年
2 齐永正;;地基一基础一上部结构共同作用三维数值模拟分析[A];第九届全国岩土力学数值分析与解析方法讨论会论文集[C];2007年
3 张文巧;麻永林;;地基沉降的三维有限元分析[A];第七届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅲ卷)[C];1998年
4 方继圣;;桩与承台下地基共同承重的计算法与工程应用[A];庆贺刘锡良教授执教五十周年暨第一届全国现代结构工程学术报告会论文集[C];2001年
5 钟恒昌;陈高义;赵永刚;孙明霞;;地基土性状对箱涵结构内力的影响分析[A];中国水利学会地基与基础工程专业委员会第十一次全国学术技术研讨会论文集[C];2011年
6 姜旭民;张联洲;高印军;李明;;静压灌浆在某大型油罐地基加固中的应用[A];2004水利水电地基与基础工程技术[C];2004年
7 唐小微;傅炳忠;宋长清;;多层框架结构考虑土—结构相互作用的地震反应分析[A];第九届全国结构工程学术会议论文集第Ⅲ卷[C];2000年
8 唐小微;宋长清;傅炳忠;;高层或高耸结构考虑土—结构相互作用的地震反应分析[A];第九届全国结构工程学术会议论文集第Ⅲ卷[C];2000年
9 孙岩松;李相然;郑振尧;;济南市地基土工程地质特征与岩土体结构研究[A];第二届全国岩土与工程学术大会论文集(下册)[C];2006年
10 朱俊高;陆晓平;;一种将砂井地基简化为平面应变问题的方法[A];岩土力学的理论与实践——第三届全国青年岩土力学与工程会议论文集[C];1998年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 赵林;我市首次岩土工程勘察地基土现场载荷试验成功[N];通辽日报;2008年
2 主持人 马致远;干垒挡土墙的施工操作[N];中国花卉报;2005年
3 陶海青;天津中阔的技术“地基”[N];中国现代企业报;2007年
4 唐平 张滨 那文杰;聚烯烃泡沫塑料让寒区工程免受冻胀威胁[N];中国水利报;2006年
5 赵虎 施继建;长江口工程:江宽水深通巨轮[N];科技日报;2007年
6 张希勤;基坑降水在建筑施工中的应用[N];伊犁日报(汉);2006年
7 本报驻沪记者  赵虎;创新金钥匙巧开长江铁锁[N];中国水运报;2006年
8 王天;防水层必须通过桩头[N];中国建设报;2006年
9 黄宇 新兴宁市建筑工程质量安全监督检测站;人工挖孔桩成孔的安全技术[N];广东建设报;2006年
10 郑宝君;正压冲固单井平台完成海上施工[N];中国石化报;2006年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 杨为民;强夯后高饱和度地基土工程特性的试验研究及其本构模型[D];中国地质大学(北京);2003年
2 刘忠;单桩横向非线性动力响应简化分析方法研究[D];湖南大学;2005年
3 王美丽;地基土—偏心结构相互作用体系平扭耦联振动特性研究[D];天津大学;2009年
4 王满生;考虑土-结构相互作用体系的参数识别和地震反应分析[D];中国地震局地球物理研究所;2005年
5 段东明;青藏铁路唐古拉山区冻土湿地路基稳定性关键技术研究[D];北京交通大学;2009年
6 王菲;地基土—高层建筑相互作用的动态子结构法[D];天津大学;2010年
7 吴保全;粉土中格栅结构复合地基的原理与技术方法研究[D];成都理工大学;2008年
8 卿三惠;红层软岩地区高速铁路软基路堤沉降控制研究[D];成都理工大学;2007年
9 张旭芝;高原多年冻土涵洞温度场及地基土冻融变形规律研究[D];中南大学;2007年
10 曾祥勇;筏板基础无网格计算方法及其在考虑上部结构共同作用分析中的应用[D];重庆大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 龙礼斌;张呼和吉珲客运专线铁路黏性地基土物理力学特性试验研究[D];西南交通大学;2013年
2 王勇;大型设备基础的振动检测与有限元分析[D];武汉理工大学;2004年
3 柴洁;海床地基土静、动力变形与强度分析及孔压研究[D];大连理工大学;2010年
4 邓晓燕;桩—梁—地基土共同作用分析[D];湖南大学;2002年
5 苟联盟;大型沉井基础与地基土共同作用研究[D];河海大学;2001年
6 刘松凯;强夯动态模拟及性能监测研究[D];大连理工大学;2008年
7 郭华筝;地基土约束下大体积混凝土底板的温度裂缝研究[D];长安大学;2010年
8 赵玲;高层建筑上部结构—筏板基础—地基共同作用的有限元分析[D];成都理工大学;2006年
9 李四友;数理方法对地基强夯加固深度的研究[D];南昌大学;2009年
10 叶瑛;高速铁路膨胀土地基沉降控制试验研究[D];东南大学;2006年
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