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土-结构动力相互作用的计算方法研究

尹华伟  
【摘要】:土-结构动力相互作用是当前土木工程领域的一个前沿研究课题。由于考虑土-结构相互作用对结构地震反应具有有利或不利的双重影响性质,因此进行土-结构的动力相互作用分析相应也就具有确保结构安全与节省建设投资的双重意义。然而,由于土-结构动力相互作用分析的复杂性,仅以现有的理论研究成果尚难以确定土-结构相互作用对结构地震反应是否有利,故理论研究还需进一步加深。因此,在广泛查阅文献资料的基础上,本文进行了以下几个方面的研究工作: 1.考虑了土的自重产生的围压对土极限承载力的影响后,利用Mohr-Coulomb屈服准则得到了土的极限承载力沿深度的变化关系,并采用双曲线函数来描述这一关系。在对几种p-y曲线的特性进行探讨后,建议采用双曲线函数p-y曲线,再由p-y曲线确定的土弹簧系数来建立桩的动力非线性微分方程,并给出了非线性方程的差分解。为便于工程应用,本文还给出了桩的简化分析模型,简化分析模型将桩划分为埋入土中段和自由悬臂段两部分,通过改变自由悬臂段长度考虑桩的非线性特性。然后采用数值算例说明了进行非线性分析的必要性及本文差分方法和简化分析方法的可靠性。 2.采用简化的单桩分析模型和多分段杆单元模型对独立桩承框架结构进行了地震反应时程分析。通过大量的数值分析结果,总结了土-结构相互作用效应对结构地震反应影响的规律。 3.无穷远地基的模拟是采用有限元等数值分析方法进行土-结构动力相互作用整体直接时程分析的关键问题。本文推导了平面内P波作用下的一致边界公式,并通过平面内波动数值分析对常用的粘滞边界与本文一致边界的计算精度进行对比,对比表明本文一致边界比粘滞边界的计算精度高。 4.对三维土-结构动力相互作用的整体直接时程分析进行研究。提出了一类简单适用的三维过渡界面单元,并推导了该过渡界面单元的显式刚度矩阵。采用界面元和有限元来模拟上部结构、基础和近域地基,远域地基采用人工边界模拟。编制了土-结构体系地震反应的直接时程分析程序。 5.对静力弹塑性分析(Pushover)方法的物理意义进行了有益的探讨之后,指出了该方法存在的一些局限,考虑了结构第二、第三两阶振型对结构地震反应的影响,并在把MDOF体系转换为等效SDOF体系和进行等效SDOF体系的动力时程分析时,将结构视为两个不同的结构。数值算例表明:采用本文改进的静力弹塑性分析方法后,计算结果精度明显提高,对结构的损伤评估与试验观测结果更为吻合。


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