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水平地震作用下桩—土—上部结构弹塑性动力相互作用分析

刘立平  
【摘要】:结构抗震设计是建筑物抵抗地震破坏作用的必要手段。大量的试验和分析发现,在地震作用下,地基与结构之间有相互作用发生。抗震规范规定考虑相互作用的结构,剪力和层间位移可以进行折减。但折减方法是基于弹性条件提出的。同时抗震规范又要求罕遇地震作用下规定的结构必须进行弹塑性变形验算。但简化的弹塑性变形验算方法是在地基刚性假定下得出的。考虑相互作用体系的弹塑性特性后,折减方法是否合适,简化的弹塑性变形验算是否恰当,是一个值得研究的问题。但目前对罕遇地震作用下土-结构相互作用的研究很少,考虑土-结构相互作用的弹塑性变形验算的研究更少。桩基础是应用广泛的深基础,在基础工程中具有极为重要的地位。因此桩-土-上部结构弹塑性动力分析是一个非常重要的研究课题。 论文详细研究了桩-土-结构体系弹塑性分析模型,在自由场和桩-土体系弹塑性分析的基础上,对桩-土-结构体系进行了弹塑性动力分析,指出了现有规范进行相互作用分析中存在的不足之处。从层间位移、等效应力、塑性应变等几个角度研究了考虑桩-土-结构相互作用下上部结构的弹塑性变形特性及规律,延伸了现行抗震设计方法中弹塑性变形验算的有关内容,为抗震设计中变形验算提供了参考性建议。 本文采用动力有限元时程分析方法,将研究体系简化为平面模型,通过对比分析,研究了桩-土-结构体系的弹塑性动力特性和规律。完成了以下几个方面的研究工作:确定了适合于桩-土-结构体系的弹塑性本构关系。上部结构采用基于von Mises屈服准则的双线性等向硬化模型,并确定了弹塑性模型的相关参数,下部土体采用基于Drucker-Prager屈服准则的弹塑性模型;建立了桩-土-结构体系动力相互作用完全有限元法分析的解决方案。包括非线性动力方程的求解方法,单元的选取,土体边界的模拟方法,地震动输入方法,网格大小的划分,重力的考虑等。并验证了用大型有限元程序ANSYS分析桩-土-结构动力相互作用的适用性;研究了水平地震作用下水平成层土体的弹塑性动力反应;研究了水平地震作用下桩-土体系弹塑性动力反应;对Ⅱ、Ⅲ两类场地上的5层、10层、15层和20层四种框架结构进行了水平地震作用下桩-土-结构弹塑性动力相互作用分析。通过以上内容的研究得出如下的主要结论: ① 同时考虑土体和结构的弹塑性特性,对桩-土-结构体系动力相互作用分析的有限元方法进行了详细的研究,且对结构采用梁单元进行模拟,比基于弹性和层模型的相互作用分析更能真实反映桩-土-结构动力相互作用特性。论文中提出 重庆大学博士学位论文 的桩一土一结构弹塑性动力反应的有限元解决方案是可行的,可用于相互作用分 析; ②利用有限元程序ANSYS中的APDL技术,通过编程,在ANSYS中成功地在 实现了透射边界,减小了土体的动力计算范围,提高了计算精度,使ANSYS更 能方便地进行桩一土一结构动力相互作用分析。 ③自由场中软夹层的存在会增大地表位移反应,减小加速度反应。硬夹层的存在 会减小地表位移反应,增大加速度反应。在弹塑性反应分析中,软夹层的存在 会增加地表地震反应,使相对位移与绝对加速度峰值增加。软(硬)夹层在底 部时影响较其它位置影响大。软(硬)夹层所在处层间位移峰值和绝对加速度 峰值均会发生突变。软夹层的存在会减小体系的基本频率,且随软夹层位置深 度增加,基本频率越小。硬夹层的存在会增加体系的基本频率,且随硬夹层位 置深度增加,基本频率越大; ④桩土体系中,桩身的存在会减小桩周土的相对位移和绝对加速度,增加土体的 塑性变形量,并改变了桩周土剪应力随深度变化趋势。土体中桩体运动表现为 剪切型特性,土体越软,桩体的水平相对位移和绝对加速度越大。在多层土体 中,考虑土体弹塑性后,桩身的水平相对位移,绝对加速度和剪力均有所减小。 ⑤对于多高层结构,考虑弹塑性相互作用后体系的层间位移、绝对加速度、柱的 剪力和轴力等在不同的楼层均有放大现象,因此折减有时是不安全的。 ⑥考虑弹塑性相互作用后不同楼层的层间位移、绝对加速度、柱的剪力和轴力等 的折减系数并不相同,沿楼层变化也不是直线,规范中只采用单一的折减系数 方法不太合理。 ⑦桩一土一结构弹塑性动力相互作用下的框架结构比不考虑相互作用时发生塑性破 坏程度降低,按现有规范进行弹塑性变形验算偏安全。


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