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单桩横向非线性动力响应简化分析方法研究

刘忠  
【摘要】:地震运动过程中,地基土-桩基础的横向动力相互作用,分别称为 桩基础的横向惯性响应和运动地震响应。关于桩基础横向动力响应的简 化分析方法,大多数采用基于线粘弹性假设的动力Winkler地基梁模型 (动力p-y曲线法)。不过,线性分析仅局限于小位移梯度,而在强烈的 地震运动过程中,由于应力集中,桩周土将产生较大的非线性应力场和 位移场,导致土-桩界面分离,桩基础的动力响应,也将呈现强烈的非 线性。因此,在线弹性动力学理论框架下建立的简化分析方法,不能满 意地描述桩基础的动力学响应。本文主要研究单桩横向非线性动力响应 问题。首先,利用有限元分析软件ANSYS,构造了一个能够反映非线性 因素影响的三维有限元模型,利用该模型,较为全面地研究了不同荷载 作用下的单桩横向非线性动力响应,详细讨论了各种几何、物理参数和 非线性因素对单桩横向非线性动力响应的影响。其次,根据数值模拟分 析结果和地震运动过程中地基土-桩基础-上部结构系统动力相互作用 的基本特征,采用描述迟滞非线性系统本构关系的Bouc-Wen模型,在 Winkler-Kelvin地基模型的基础上,建立了一个新的、能够考虑各种非线 性因素影响的、研究单桩横向非线性动力响应的简化分析模型。该模型 采用非线性Winkler-Kelvin地基模型,将复杂的地基土-单桩动力相互 作用的三维问题,简化为一维问题,即,地基土对桩轴的横向非线性作 用力, 由随深度均匀分布的水平非线性弹簧模拟,非线性弹簧恢复力由 退化的Bouc-Wen模型描述;地基土中由于能量耗散和内部摩擦而产生的 幅射阻尼和材料阻尼,由与水平非线性弹簧并联的粘壶表示。该模型能 够反映动力荷载作用下,桩周土的屈服、滞后性、变形积累、强度和刚 度退化等材料非线性,以及土-桩界面分离等状态非线性,对单桩横向 动力响应的影响,可以较好地描述桩周土由弹性变形到塑性变形的整个 非线性变形过程。该模型适用于不同的地质条件,计算参数都为土力学 参数,可以利用现行的设计规范、通过拟合准静态单调加载或循环加载 现场试验数据曲线,加以确定和校准。最后,利用该简化分析模型、相 关的计算方法、以及运动响应因子的概念,分别研究了单桩横向非线性 惯性响应和非线性运动地震响应问题,并进一步讨论了各种系统参数和 非线性因素的影响。计算结果表明,本文建立的简化分析模型,能够有 单桩横向非线性动力响应简化分析方法研究 效地模拟单桩横向非线性动力响应问题。 关键词:工程结构;单桩横向非线性动力响应;有限元;B。uc一Wen模型; 简化分析;惯性响应;运动响应


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