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土—结构动力相互作用(SSDI)体系阻尼性能及其地震反应分析与研究

夏栋舟  
【摘要】:随着我国经济建设的快速发展,大量的公共基础设施和工业民用建筑方兴未艾,因此发展并完善现有工程抗震理论并用以指导工程实践显得尤为重要。 土-结动力相互作用(SSDI)问题是近四十年来世界地震工程领域研究的重要课题之一,由于该课题涉及到众多学科领域,因而研究难度较大。我国现行建筑抗震设计规范以刚性地基假定为前提,这种假设虽然比较简单,但随着震害资料的积累以及对土-结构动力相互作用理论及实验研究的深入,人们发现这种刚性地基的假定在一些情况下并不符合实际情况,有时甚至是不安全的。 本文结合国家自然科学基金项目“中空夹层钢管混凝土框架结构-基础动力相互作用下阻尼特性及地震反应谱研究”(NO.50778070)、博士点基金资助项目“非线性动力分析中耗能与阻尼模型研究”(NO.20020532002)以及教育部科学技术研究重点项目“强震中结构和材料阻尼模型研究及应用”(NO.200001127),研究了土-结构动力相互作用体系的阻尼性能、反应谱、有限元模拟以及动力特性。其主要研究工作有如下几个方面: 为弥补传统基础无质量简化计算方法的不足,文章提出一种能充分考虑地基土与基础、基础与上部结构之间动力相互作用的改进基础有质量计算模型;基于此简化模型,通过对各个非线性参数的选取,并考虑不同类型上部结构的非线性阻尼、桩-土相互作用产生的阻尼、不同性质地基土材料阻尼与辐射阻尼,以及基础类型和基础埋深等影响因素,推导出更能反应土-结构动力相互作用体系动力特性的非线性耦合阻尼比公式,并通过相关试验算例计算证明了其有效性;同时,文章还研究了地震动输入、地基土性质、基础条件以及上部结构特性等因素对SSDI体系非线性耦合阻尼比大小的影响变化规律,为工程抗震设计与工程实践提供了理论依据。 文章通过对单自由度体系在地震作用下强迫振动进行Duhami积分,得到土-结构动力相互作用体系在不同频率地震波作用下以及不同场地土类别等条件下的地震反应谱;结合现有抗震设计反应谱的研究,提出基于不同场地条件和自振周期的阻尼影响系数Ba,得到阻尼影响系数的非线性拟合公式,同时通过对长周期SSDI体系基于阻尼特性的加速度反应谱进行修正,得到SSDI体系非线性阻尼加速度反应谱,进而详细研究了不同阻尼比时体系长周期抗震设计反应谱。 本文结合现行抗震设计规范对地震影响系数的研究,定义地震影响系数的修正因子η,从而提出了土-结构动力相互作用SSDI体系修正的地震影响系数公式,并得到考虑SSDI效应的地震作用计算公式,藉此公式通过算例计算研究了地震作用的非线性动力相互作用效应;同时,文章提出了SSDI体系的水平地震作用折减系数公式。 文章以ANSYS为计算分析工具和平台,通过对Davidenkov地基模型的研究及其参数的选取,利用ANSYS的重新启动分析方法并采用APDL参数设计语言来编制程序,实现对土体非线性动力本构模型的模拟;同时利用ANSYS中Combin14单元模拟粘弹性边界,以此建立人工边界来模拟辐射阻尼效应;并提出集成阻尼矩阵的方法,解决结构和地基土阻尼不同而导致的阻尼耦合的问题。最后,通过算例对土-结构动力相互作用体系进行有限元模拟与定性分析,对比了刚性地基条件下与非线性土地基条件下上部结构的动力反应以及结构不同高度处动力反应的变化规律,同时考察不同性质地基土非线性性质对整个SSDI体系位移、速度与加速度非线性反应的影响。与已有实验研究结果对比表明,本文采用的ANSYS有限元方法具有很强的实用性,符合土-结构动力相互作用的实际工作机理。 最后,文章对一工程算例进行分析计算,针对各动力特性指标,研究了土-结构动力相互作用体系在不同土体性质、不同上部结构类型、不同地震激励、不同基础类型及不同基础埋深等条件下的动力反应与地震反应效应,得到大量的理论分析结论,为研究土-结构动力相互作用体系动力特性并将其应用于工程实践提供了重要理论依据。


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