土—结构动力相互作用非线性分析及基于SSI效应的结构隔震研究

论文摘要

随着社会的发展、社会财富和人口的高度集中,地震灾害对人类社会所造成的损失越来越大。因此,基于性能的抗震设计日益得到重视,而这首先就要求对于结构的地震反应分析更为精确。正因为如此,广大研究者和工程技术人员在实践中越来越意识到将上部结构和基础考虑作为一相互作用的整体来进行设计的必要性和优越性。在土—结构动力相互作用问题中,土体的强烈非线性特性及其影响是其中的核心之一。而基于相互作用的机理进行上部结构的隔振研究是这个研究方向上的创新性思路,也是又一项具有工程实践意义的研究课题。本文围绕地基土体的非线性动力特性及其合适的本构模型构建这一问题开展工作,着重考察了地基土体非线性动力特性的变化规律及影响因素、土体非线性对于自由场和土—结构体系地震动力反应的影响及其机理。同时,在这其中通过试验研究了土—结构界面接触非线性特性、土—结构体系上下部刚度比变化对SSI效应的影响等问题,为相互作用问题的理论分析和实践应用提供参考。最后,根据相互作用机理分析的启示,提出了坚硬场地上刚性结构基底软土夹层隔震思路。全文的主要工作和创新如下:1.广泛阅读本领域的相关文献,总结了国内外开展土—结构动力相互作用研究的现状及其发展水平,评述了已有研究工作成果的局限性及优缺点,提出了本文针对土—结构动力相互作用问题研究的思路。2.对地基土体的非线性动力特性进行试验研究。通过对粉质黏土的循环单剪试验,研究了土体的应变累积特性以及土体加载历史、场地固结压力对于土非线性动剪模量和阻尼比的影响。试验验证了由小到大的分级循环加载试验方法的可行性,同时,在试验现象机理分析的基础上提出了能够考虑加载历史和固结压力影响的黏土动力特性模型。3.提出了基于阻尼的土体真非线性滞回模型,并且将这一模型推广至弹塑性领域,建立了基于阻尼的土体边界面模型。通过循环单剪试验,验证了所提本构模型的可行性与优越性。4.开发了自由场地震反应非线性分析程序。该程序应用自主提出的土动力特性模型和土体动力滞回本构模型,对自由场的非线性地震反应问题进行了深入分析,考察了自由场地底部边界条件、土体本构模型、土动力特性以及软弱夹层等因素对自由场非线性反应的影响。5.对粉质黏土与混凝土界面的界面接触力学性能进行试验研究,考查了界面粗糙度、界面法向压力、薄层单元厚度、加载形式等因素对界面单元应力应变关系的影响。根据试验结果,提出了改进的薄层界面接触单元本构模型。6.针对上下部结构刚度比对土—结构动力相互作用效应的影响这一问题进行了大比例模型试验,根据试验结果,对规范中关于考虑SSI效应的结构附加周期的确定提出了有益的建议。7.在通用有限元软件MSC.Marc中建立整体有限元模型,应用自主提出的基于阻尼的边界面本构模型和改进的土—结构界面本构模型,深入分析了土体非线性对结构地震反应的影响及其机理。针对一具体场地,考察了土体非线性对结构地震反应谱的影响。8.提出了较坚硬场地上刚性结构的基底软土夹层隔震思想,通过实例研究了软土夹层隔震的效果及其影响因素。最后,对人工软土材料的研究提出了建议与展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 土─结构动力相互作用的基本概念
• 1.2 土─结构动力相互作用研究的必要性
• 1.3 土─结构动力相互作用问题研究历史及现状
• 1.3.1 国外研究历史与现状
• 1.3.2 国内研究概况
• 1.4 土─结构动力相互作用的理论研究方法
• 1.4.1 集总阻抗参数法（多质点模型简化法）
• 1.4.2 频域及时域中的子结构法
• 1.4.3 直接法（整体有限单元法）
• 1.5 土─结构动力相互作用的试验研究及其理论应用
• 1.6 对土─结构相互作用问题已取得的一般性认识
• 1.7 基于SSI效应的结构隔震研究
• 1.8 存在的问题与本文的研究思路
• 1.8.1 存在的问题
• 1.8.2 本文研究思路
• 第2章 土的非线性动力特性试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 土动力特性试验研究概述
• 2.3 试验仪器与土样
• 2.3.1 试验仪器
• 2.3.2 试验土样
• 2.3.3 试样制备
• 2.4 分级循环加载试验方法研究
• 2.4.1 研究意义
• 2.4.2 试验方案
• 2.4.3 试验结果及分析
• 2.5 应变历史对土动力特性影响的研究
• 2.5.1 研究意义
• 2.5.2 试验方案
• 2.5.3 试验结果及分析
• 2.5.4 应变累积强化模型的建立
• 2.5.5 关于应变累积强化的讨论
• 2.6 固结压力对土动力特性影响的试验研究
• 2.6.1 研究意义
• 2.6.2 试验方案
• 2.6.3 试验结果及分析
• 2.6.4 固结压力相关的动力特性曲线
• 2.7 本章小结
• 第3章 基于阻尼的土体动力本构模型研究
• 3.1 引言
• 3.2 土的动力本构模型研究现状
• 3.2.1 粘弹性模型
• 3.2.2 弹塑性模型
• 3.3 基于阻尼的粘弹性本构模型研究
• 3.3.1 基于阻尼的滞回曲线方程
• 3.3.2 不规则荷载下加卸载准则
• 3.3.3 基于阻尼的非线性模型试验验证
• 3.4 基于阻尼的边界面模型研究
• 3.4.1 各向同性土体边界面模型
• 3.4.2 横观各向同性土体边界面模型
• 3.4.3 模型参数的确定
• 3.4.4 边界面模型在Marc中的实现与试验验证
• 3.5 本章小结
• 第4章 自由场非线性地震反应分析
• 4.1 引言
• 4.2 场地地震反应计算模型
• 4.2.1 分析模型及假定
• 4.2.2 单元的特性矩阵
• 4.2.3 自由场的运动方程
• 4.2.4 非线性动力分析的增量方法
• 4.3 土体的动力非线性模型
• 4.3.1 动力特性曲线模型
• 4.3.2 滞回曲线模型
• 4.4 自由场非线性地震反应分析
• 4.4.1 土体滞回本构模型对自由场地震反应的影响
• 4.4.2 基岩边界条件对自由场地震反应的影响
• 4.4.3 固结压力的影响
• 4.4.4 加载历史的影响
• 4.4.5 土体非线性动力特性参数的影响
• 4.4.6 软弱层对场地地震反应的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 土与结构接触界面的性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 土─结构界面接触问题研究及应用现状
• 5.2.1 试验研究
• 5.2.2 接触面本构模型
• 5.2.3 接触面单元
• 5.3 土─结构界面接触面剪切试验研究
• 5.3.1 接触试验介绍
• 5.3.2 试验结果及分析
• 5.3.3 试验结论
• 5.4 土─结构界面有限薄层单元
• 5.4.1 界面薄层单元的本构关系
• 5.4.2 界面破坏变形发生的判别
• 5.4.3 界面单元厚度的确定
• 5.5 本章小结
• 第6章 土─结构动力相互作用大比例模型试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 野外模型试验的结果及启示
• 6.3 室内1/4钢框架模型试验
• 6.3.1 试验设计
• 6.3.2 试验方案
• 6.3.3 试验结果
• 6.4 结构与土刚度比对相互作用效应的影响──试验与理论对比
• 6.4.1 单自由度结构与土动力相互作用理论模型
• 6.4.2 试验结果与理论模型计算结果的对比
• 6.4.3 试验与理论比较的结论
• 6.5 关于附加周期的讨论
• 6.6 本章小结
• 第7章 土─结构动力相互作用非线性分析
• 7.1 引言
• 7.2 有限元分析模型的建立
• 7.2.1 土─结构相互作用计算体系的选择
• 7.2.2 局部人工边界的处理
• 7.2.3 土─结构接触处理
• 7.2.4 地震动的输入
• 7.3 土─结构接触非线性对结构地震反应的影响
• 7.3.1 界面模型对结构地震反应的影响
• 7.3.2 界面单元厚度对结构地震反应的影响
• 7.4 土─结构动力相互作用非线性分析
• 7.4.1 土体非线性对自由场反应的影响
• 7.4.2 土体非线性对运动相互作用的影响
• 7.4.3 土体非线性对土─结构体系地震反应的影响
• 7.4.4 土体非线性对基础顶部处FLD、KIN以及SSI运动的影响
• 7.4.5 土体非线性动力特性参数对结构地震反应的影响
• 7.4.6 考虑加载历史对土动力特性影响时的非线性土─结构动力相互作用
• 7.4.7 考虑固结压力对土动力特性影响时的非线性土─结构动力相互作用
• 7.4.8 土体非线性对结构地震反应谱的影响
• 7.5 本章小结
• 第8章 基于土─结构动力相互作用的软土隔震研究
• 8.1 引言
• 8.2 模型的建立
• 8.2.1 分析模型
• 8.2.2 影响隔震效果的参数
• 8.2.3 输入地震波
• 8.3 人工软土隔震分析
• 8.3.1 软土层动剪模量对隔震效果的影响
• 8.3.2 刚性基础埋深对隔震效果的影响
• 8.3.3 软土层厚度与宽度对隔震效果的影响
• 8.3.4 软土层各向异性对隔震效果的影响
• 8.3.5 考虑软土隔震效应的结构地震反应谱
• 8.4 人工软土概念与研究展望
• 8.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间发表的论文目录
• 致谢