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工程结构考虑地基—结构动力相互作用影响的地震响应分析

陶磊  
【摘要】:一般的建筑物体量较小,建基面位于平坦的地面。结构的地震反应分析,常采用刚性基底假定,按一致地震动输入处理,即忽略了地基—结构的动力相互作用。建造于高山峡谷中的高坝,建基面位于开挖露出基岩的谷底和部分边坡之上,呈U形或V形。若研究高坝在极端地震下的灾变行为,需重点考察坝与建基面,坝段之间的横缝的张合与滑移过程。如果不计地基—坝体的动力相互作用,模拟结果会严重失真。近几年我国火电与核电建设中的出现了高度200m级的大型冷却塔,底部直径达到了 150m以上,冷却塔的自振特性表现为前数十阶乃至上百阶振型均为局部振型,相应自振频率分布十分密集,明显不同于常规的建筑结构。据该特点容易联想到冷却塔结构将会对地基—结构的动力相互作用以及地震动的行波效应十分敏感。对高坝和高耸冷却塔抗震研究而言,动力相互作用问题愈显突出,是一个不可回避的关键科学问题。针对上述两类结构,以实际工程项目为研究背景,建立了设置粘弹性人工边界的地基—结构动力相互作用的三维分析模型,分别推导了自由场输入情况下,S波和P波竖向入射、SH波水平入射、LOVE.面波水平入射三种情况下,近域地基的前、后、左、右和底面五个人工边界面上不同位置的等效结点动力荷载的表达式。采用通用程序ANSYS,对碾压混凝土坝和冷却塔算例结构,计入地基—结构动力相互作用影响,开展相应的地震反应分析,进行了多种工况下的计算对比分析研究,主要研究内容及成果如下:1.以印度尼西亚某实际碾压混凝土重力坝作为算例结构,开展最大可信地震(MCE)情况下混凝土重力坝全坝段三维有限元非线性灾变分析,分别按无质量地基模型—致地震动输入方法和粘弹性边界地震动输入方法,同时考虑几何非线性和接触非线性,进行地震反应时程分析。在地震过程中各缝面均产生张开—闭合—接触—滑移现象。从坝顶关键点永久位移、坝基开裂范围、横缝张开度和滑移量,以及震后静力抗滑稳定安全系数可以判断,大坝具有一定安全裕度,考虑无限地基辐射阻尼效应的粘弹性人工边界模型结果的动力响应较无质量地基模型结果小。2.得到了地基—库水—重力坝模型以正常蓄水位下的正常运行静力工况为初始条件,整个体系的MCE地震作用下全过程的灾变形态,并对地震作用下单坝段抗滑、抗倾覆等抗震安全性进行了评价。3.利用弹性波动理论,首次推导了水平向SH波、LOVE面波入射时的地震动输入公式,并编制APDL命令在通用程序ANSYS中得以实现。通过按正弦规律变化的SH波、LOVE面波的算例,与解析解对比验证了新建输入方法的正确性。4.研究了地基刚度变化对冷却塔动力特性的影响规律。通过算例冷却塔建立了包含均匀弹性地基的地基—冷却塔模型和考虑承台、基桩协同工作的桩基—承台—冷却塔有限元模型,分别取不同地基剪切波速以及刚性地基模型进行参数敏感性分析。研究表明:冷却塔的自振频率分布十分密集,基本振型均为塔筒局部振型,整体振型出现较晚,随着地基刚度的增加,各阶自振频率有所增加,但增幅有限。桩基—承台—冷却塔有限元模型,能够考虑到地基的有限刚度影响,其动力特性与地基—冷却塔模型规律基本一致。5.研究了同时考虑行波效应和地基—结构动力相互作用两种因素对冷却塔结构地震反应的影响规律。在无质量地基模型一致地震动输入情况下,塔筒上沿子午向和环向平面各点位移、加速度变化很小,呈整体平动特点,地基刚度变化对塔筒动力响应影响很小。辐射阻尼效应可显著降低结构体系的动力响应,采用粘弹性边界模型,塔筒的绝对加速度最大值降低40%左右。在SH波、LOVE面波输入情况下,以基本振型为主的局部振型被激发出来。考虑辐射阻尼效应后,冷却塔基底各点输入的加速度峰值较无质量地基模型减少20%~50%,但环向分布特点基本一致,沿输入的水平方向略大于与其正交的水平向,考虑行波效应后,各基底输入点存在明显相位差。不同地基土剪切波速的水平入射SH波,若输入SH波波速较慢,各代表点响应较低,辐射阻尼效应很显著;若输入SH波波速较快,则各代表点响应较大,接近于无质量地基模型情形,辐射阻尼效应比行波效应对于结构的影响更为明显。随着地基土剪切波速的增加,基底支承点处的绝对加速度逐渐接近自由场地震动输入,上部结构对地震波的散射效应逐渐减弱。6.在无质量地基模型一致地震动输入情况下,随着地基刚度的增加,X支柱的轴力变化不大,而绕环向弯矩增加很显著。采用粘弹性边界模型分析,计入辐射阻尼效应,显著增加了塔筒环向内力而降低了子午向内力,X支柱的内力幅值也降低20%~50%。考虑SH波、LOVE面波行波效应后,塔筒的最大主应力有所增加。SH波输入情况下,考虑地基—结构动力相互作用,激发了冷却塔局部振型,随着SH波速波速的增加,X支柱内力增幅明显,可见无限地基辐射阻尼效应的影响很重要,在动力分析时不可忽略。


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