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软土—桩—结构抗震性能振动台试验与有限元分析

邹万山  
【摘要】:土-结构动力相互作用问题是地震工程和土木工程领域的前沿课题。目前在理论分析、试验及观测上取得了一些研究成果。然而,由于该课题十分复杂,研究难度较大,故与其他成熟的学科相比,还有许多问题远远没有解决。因此,开展土-结构动力相互作用的试验研究,对深入了解动力相互作用效果及规律,用以验证理论与计算分析成果,推动其工程应用,具有重要的理论和现实意义。 本文在湖北省自然科学基金项目和中科院武汉岩土所岩土力学重点实验室开放课题“软土地基上高层建筑抗震性能模型试验与仿真分析”的资助下,旨在已有相关成果的基础上,运用振动台试验与有限元分析相结合的方法,研究地震作用下土-结构相互作用(SSI)的有关规律与机理。本文的研究工作主要有以下几个方面: 1、在广泛检索国内外文献的基础上,总结并评述土-结构动力相互作用的理论分析及试验研究成果,分析该研究领域存在的问题,并提出本课题的研究方向。 2、通过1:50缩尺比例的上部结构及软土-桩-结构体系模型的模态分析,了解了基础固定的上部结构与软土-桩-结构相互作用体系的动力特性(振型、周期及阻尼);通过模型振动台试验,揭示了上述两种体系的地震反应(位移、速度、加速度及应力)规律。试验表明,地基土层对输入地震波具有明显的放大作用,其放大系数与输入地震波的频谱特性、加速度峰值等因素有关。 3、结合振动台试验数据,探讨上部结构及软土-桩-结构体系的动力特性及地震反应分析在通用有限元软件ANSYS中的实现,主要包括土箱容器的模拟、土体动力本构模型的选用、网格划分、结构中钢筋的处理、土体边界问题等。分析表明,ANSYS可以用于相互作用体系的模拟分析;只要土体侧向边界范围和土层深度足够大,采用简单边界能得到理想的模拟结果。 4、在二次开发的基础上,运用ANSYS建立上部结构及软土-桩-结构相互作用体系的三维有限元模型,进行动力特性分析,并计算输入El-Centro波、天津波及武汉人工波时两种体系的地震反应。计算结果表明,输入不同的地震波体系的地震反应明显不同;双向、三向输入地震波体系的地震反应比单向输入地震波时大。


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