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土—结构动力相互作用非线性分析及基于SSI效应的结构隔震研究

刘方成  
【摘要】: 随着社会的发展、社会财富和人口的高度集中,地震灾害对人类社会所造成的损失越来越大。因此,基于性能的抗震设计日益得到重视,而这首先就要求对于结构的地震反应分析更为精确。正因为如此,广大研究者和工程技术人员在实践中越来越意识到将上部结构和基础考虑作为一相互作用的整体来进行设计的必要性和优越性。在土—结构动力相互作用问题中,土体的强烈非线性特性及其影响是其中的核心之一。而基于相互作用的机理进行上部结构的隔振研究是这个研究方向上的创新性思路,也是又一项具有工程实践意义的研究课题。 本文围绕地基土体的非线性动力特性及其合适的本构模型构建这一问题开展工作,着重考察了地基土体非线性动力特性的变化规律及影响因素、土体非线性对于自由场和土—结构体系地震动力反应的影响及其机理。同时,在这其中通过试验研究了土—结构界面接触非线性特性、土—结构体系上下部刚度比变化对SSI效应的影响等问题,为相互作用问题的理论分析和实践应用提供参考。最后,根据相互作用机理分析的启示,提出了坚硬场地上刚性结构基底软土夹层隔震思路。全文的主要工作和创新如下: 1.广泛阅读本领域的相关文献,总结了国内外开展土—结构动力相互作用研究的现状及其发展水平,评述了已有研究工作成果的局限性及优缺点,提出了本文针对土—结构动力相互作用问题研究的思路。 2.对地基土体的非线性动力特性进行试验研究。通过对粉质黏土的循环单剪试验,研究了土体的应变累积特性以及土体加载历史、场地固结压力对于土非线性动剪模量和阻尼比的影响。试验验证了由小到大的分级循环加载试验方法的可行性,同时,在试验现象机理分析的基础上提出了能够考虑加载历史和固结压力影响的黏土动力特性模型。 3.提出了基于阻尼的土体真非线性滞回模型,并且将这一模型推广至弹塑性领域,建立了基于阻尼的土体边界面模型。通过循环单剪试验,验证了所提本构模型的可行性与优越性。 4.开发了自由场地震反应非线性分析程序。该程序应用自主提出的土动力特性模型和土体动力滞回本构模型,对自由场的非线性地震反应问题进行了深入分析,考察了自由场地底部边界条件、土体本构模型、土动力特性以及软弱夹层等因素对自由场非线性反应的影响。 5.对粉质黏土与混凝土界面的界面接触力学性能进行试验研究,考查了界面粗糙度、界面法向压力、薄层单元厚度、加载形式等因素对界面单元应力应变关系的影响。根据试验结果,提出了改进的薄层界面接触单元本构模型。 6.针对上下部结构刚度比对土—结构动力相互作用效应的影响这一问题进行了大比例模型试验,根据试验结果,对规范中关于考虑SSI效应的结构附加周期的确定提出了有益的建议。 7.在通用有限元软件MSC.Marc中建立整体有限元模型,应用自主提出的基于阻尼的边界面本构模型和改进的土—结构界面本构模型,深入分析了土体非线性对结构地震反应的影响及其机理。针对一具体场地,考察了土体非线性对结构地震反应谱的影响。 8.提出了较坚硬场地上刚性结构的基底软土夹层隔震思想,通过实例研究了软土夹层隔震的效果及其影响因素。最后,对人工软土材料的研究提出了建议与展望。


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