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《西安建筑科技大学》 2011年
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黄土地区密肋复合墙结构地基基础静动力共同作用分析

李云璋  
【摘要】:密肋复合墙结构是一种适应我国国情、满足墙体材料革新及建筑节能要求的生态、节能、减震、装配整体式住宅结构新体系,目前在地震多发且烈度较高的黄土地区已得到较多的应用。目前在该结构体系工程应用中,均按照基础刚性假设进行设计,而没有考虑共同作用的影响,这与实际结构的受力特性有较大的出入,显然不甚合理。本论文主要对黄土的静、动力特性进行研究并建立相应的本构模型,在此基础上针对某密肋复合墙结构体系展开深入细致的分析,对其进行静、动荷载作用下的共同作用特性研究,并提出了该结构体系在非饱和黄土地区与地基基础动力相互作用的实用计算方法,其主要研究内容及取得的成果如下: 1、通过重塑黄土和原状黄土的静力三轴试验,对不同围压、不同含水量下原状土及重塑土的应力-应变关系进行对比分析,研究相同情况下原状土和重塑土变形性能的联系和区别,提出合理结构性参数并研究其变化规律,建立原状黄土考虑结构性影响的静力本构模型。 2、通过原状黄土的动三轴试验,分析不同围压、不同含水量及不同固结比对原状黄土动力特性的影响,由此得出原状黄土的动应力应变关系、动模量—动应变的关系以及最大动弹模、阻尼比的数学表达式,从而建立原状黄土的动力本构模型。 3、根据密肋复合墙体的构造特点,采用渐进均匀化方法得到墙体的宏观复合本构关系;基于ANSYS二次开发平台对原状黄土的静力结构性本构模型进行二次开发,在地基与基础之间设置Goodman接触单元,然后在共同作用机理的基础上,对某密肋复合墙结构体系进行静力共同作用数值分析,并就影响共同作用的因素进行了分析。 4、根据结构自重、结构布置以及抗侧刚度的大小分别相等的等效原则建立密肋复合墙结构的动力宏观力学模型——框架—复合弹性板力学模型,采用考虑地基非线性的粘弹性边界模拟土体的侧向边界,利用所建立的动力本构模型,对某密肋复合墙结构体系进行动力共同作用数值分析,研究在考虑SSI效应与基底固结时结构动力特性及抗震性能的变化,总结相应的规律,为工程实践与设计提供可借鉴的理论依据。 5、针对黄土的非饱和特性,基于单相流固结理论及Bishop有效应力原理,求得非饱和黄土的地基阻抗,在求得上部结构刚度及阻尼的基础上,采用两步设计法,将土—结构动力相互作用的多自由度体系等效为考虑动力相互作用的三自由度体系,进而等效为刚性地基假定的等效单自由度模型,结合算例验证其合理性,为工程应用提供土-结构动力相互作用体系的实用计算方法。 本文的创新之处在于: 1.结合黄土的静三轴试验,实现基于ANSYS二次开发平台对所得静力结构性本构模型的二次开发,揭示了考虑共同作用情况下密肋复合墙结构体系静力特性的变化规律。 通过重塑土和原状土的静力三轴试验,建立原状黄土考虑结构性影响的静力本构模型,并基于ANSYS二次开发平台对该模型进行二次开发;根据密肋复合墙体的构造特点,采用渐进均匀化方法得到了墙体的宏观复合本构关系;随后在地基与基础之间设置Goodman接触单元,在此基础上,建立某密肋复合墙结构体系考虑土-结构相互作用的数值计算模型,通过数值计算,揭示了考虑共同作用情况下密肋复合墙结构体系静力特性的变化规律。 2.结合土-结构动力相互作用理论,建立密肋复合墙结构体系考虑土-结构动力相互作用的数值计算模型,揭示了土-结构动力相互作用对密肋复合墙结构振动特性及地震反应的影响规律。 通过原状黄土的动三轴试验,建立原状黄土动力等效线性化模型;根据结构自重、结构布置以及抗侧刚度的大小分别相等的等效原则建立密肋复合墙结构的宏观力学模型——框架—复合弹性板力学模型;采用考虑地基非线性的粘弹性边界模拟了土体的侧向边界;在此基础上,建立密肋复合墙结构体系考虑土-结构动力相互作用的数值计算模型,通过不考虑相互作用与考虑相互作用状况下密肋复合墙结构的振动特性和地震反应规律,给出了土与结构相互作用对密肋复合墙结构体系振动特性及其抗震性能的影响规律。 3.推导了黄土的地基阻抗,并建立了黄土地区密肋复合墙结构-基础-地基的动力相互作用的实用计算模型。 基于单相流固结理论及Bishop有效应力原理,求得非饱和黄土的地基阻抗;并在求得密肋复合墙结构刚度及阻尼的基础上,采用两步设计法,推导得该结构体系在考虑土-结构动力相互作用时的简化计算模型,并结合算例验证其合理性。
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