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大型工程土与结构动力相互作用的理论和试验研究

王志华  
【摘要】:本文首先采用大型振动台模型试验对考虑土与结构动力相互作用的高层建筑结构TMD控制性能开展研究,并对该试验进行了数值试验及其对比研究。其次,考虑地震的随机性和强度、频率非平稳性,提出一般随机地震动模型,建立完全非平稳随机地震反应的整体有限元法,从确定性分析和随机分析两方面对土石坝、特大型桥梁结构中的土—结构动力相互作用开展研究,主要工作如下: 1.设计并完成了土与结构动力相互作用的大型振动台模型试验。将刚性地基和软土地基上结构体系进行对比试验,探讨了土与结构相互作用对结构地震反应的影响。比较结构顶部调谐质量阻尼器(TMD)在刚性和软土地基条件下的控制性能,探讨了土—结构动力相互作用对TMD控制性能的影响。指出了按刚性地基条件对TMD控制系统参数进行设计将使其在软土地基条件下可能达不到预期的设计目的,甚至可能产生负面效应; 2.在振动台模型试验的基础上,采用分析土与结构动力相互作用的有限元软件SASSI2000对试验的各个工况进行数值模拟,并与振动台试验的结果进行对比研究。结果表明,数值模拟结果与大型振动台试验结果具有很好的一致性,这彼此验证了数值模拟与大型振动台模型试验方法的合理性和结果的可靠性; 3.考虑地震荷载的随机性和频率与强度非平稳性,通过理论分析,提出一种随机地震动模型,并给出了确定模型参数的原则和方法。该模型适用于平稳随机过程、强度非平稳随机过程以及强度和频率完全非平稳随机过程。在此基础上,结合虚拟激励原理,采用复反应分析技术,建立一种分析土与结构动力相互作用的完全非平稳随机地震反应整体有限元法; 4.以某一实际建于深厚覆盖层上的高土石坝为研究背景,采用时程积分法探讨了深厚覆盖层与高土石坝在地震过程中的动力相互作用效应,结果表明,深厚覆盖层对提高强震区内的高土坝抗震性能具有一定的积极作用。通过完全非平稳随机地震激励下的土石坝—坝基动力相互作用的研究,指出地震频率非平稳性对坝体地震反应具有一定的影响; 5.分别采用二维整体有限元法和三维子结构法对特大型群桩—土—桥墩结构体系进行数值模拟分析,探讨了群桩—土—桥墩结构体系地震反应特性及群桩—土—桥墩结构动力相互作用效应对特大型桥梁结构地震反应的影响。采用本文提出的基于一般随机地震动模型的整体有限元法开展平稳和非平稳随机地震激励下的群桩—土—桥墩结构动力相互作用研究,对特大型群桩—土—桥墩结构体系的动力可靠性进行了探讨,初步揭示了地震反应地震频率非平稳性对土与结构动力相互作用体系地震反应的影响规律。


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