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基于土体-结构动力相互作用下的震陷分析,就目前的研究来说,还有很多的工作要做。无论理论研究、计算分析及试验研究等,还须在各方面继续深入开展。而在考虑土体-结构动力相互作用基础上,考察其对于消能减震结构的影响,则无论是理论研究,还是实际工程应用方面来说,也都还很有必要。
本文主要开展了如下几方面的研究工作:
介绍了三组土体-结构相互作用模型试验,包括均匀土-桩基-单柱结构相互作用体系振动台模型试验、分层土-桩基-框架结构相互作用体系振动台模型试验、加厚加硬土层的分层土-桩基-框架结构相互作用体系振动台模型试验。主要包括试验装置、试验模型、试验过程及主要试验现象以及主要试验结果和规律等,为下文针对结构-地基相互作用体系的震陷模拟进行了计算建模和计算分析提供必要的参数,并为计算模型和计算方法的合理性提供验证依据。
探讨了单桩在竖向荷载作用下,发生沉降的非线性性能。假定桩-土接触面和桩底土的力学性能是非线性的。计算表明,接触单元可以很好地模拟单桩Q-S曲线的非线性,并可以很好地表达土体的分层特性,使得在土体的弹性假定下,完成了单桩Q-S曲线的非线性分析。在此基础上,进一步探索了利用单桩试验的Q-S曲线进行土力学参数反分析的尝试。
以土体-桩基-结构动力相互作用振动台模型试验为基础,结合通用有限元软件ANSYS,对结构-地基动力相互作用体系进行有限元计算建模的一些问题作了研究,主要包括柔性土容器的模拟、土体动力本构模型的选用、土体与结构交界面上的状态非线性模拟、网格划分、结构中钢筋的处理以及对称性的应用等。这部分内容主要参考了创新研究群体中李培振、陈波等已完成的研究工作。在此基础上,本文专门针对土体-桩基-结构相互作用体系振动台试验进行震陷分析。震陷计算主要利用了面-面接触单元,考虑土体与结构交界面的状态非线性。计算得到的震陷结论与实际试验中的现象基本吻合,并揭示出了地震作用下结构震陷的一些发展规律。
最后,在考虑结构-地基动力相互作用的基础上,又对消能减震结构体系进行了研究,并结合实际工程模型进行了分析对比。就结构设计关注的各项指标,详细考察了土体-结构相互作用对于结构体系的影响。计算的过程涵盖了设计小震与大震。
研究分析表明,考虑土体-结构相互作用对于消能减震结构体系的动力特性具有明显的影响。在考虑土体-结构相互作用后,消能框架体系楼层地震位移反应的总体减震效果变差,各楼层之间的层间位移减震效果的差异增大。而对于消能框架体系的楼层速度而言,在考虑土体-结构相互作用之后,楼层速度的总体减震效果也是变差,各楼层速度减震效果之间的差异增大。消能框架体系楼层加速度的总体减震效果变差,各楼层地震反应加速度的减震效果差异增大。消能框架体系楼层层间剪力的总体减震效果变差,而各楼层层间剪力减震效果的差异增大。