基于接触弹簧模型的土与上部结构相互作用的动力特性研究

论文摘要

随着社会经济的发展，城市里高层甚至超高层建筑不断涌现。为了提高结构设计的精度，土与结构动力相互作用（Soil-Structure Interaction，简称SSI）是一个不可忽视的因素，因而它亦已经成为国内外广泛关注的研究课题之一。目前，国内对地震动下土与结构的相互作用已经有了广泛的研究，并且取得了一定的成果。但是，由于土与上部结构的相互作用十分复杂，现有的一些研究方法离工程的实际运用尚还有一定距离。在研究过程中，分析模型的建立是比较关键的一步，因此，建立一个与实际工程结构接近的分析模型是解决这一问题的较有效的方法之一。本文主要讨论了基于接触弹簧模型的独立基础建筑的土与结构的相互作用动力特性。采用李康宁博士开发的动力分析软件Canny来建立结构分析模型。上部结构是一个能模拟梁柱的开裂、屈服、塑性区域产生、发展，以及非线性剪切变形的三维杆系模型；下部结构采用独立基础，通过在基础底面施加水平、竖向以及转动的接触弹簧和阻尼单元来考虑土与结构的接触作用。这种方法从三维整体进行分析，考虑了体系的塑性反应，能较好的模拟实际结构，分析结果便于指导工程设计。文中对所建立的结构模型进行计算，分析了独立基础相互作用体系在不同剪切波速的场地、不同基础埋深、不同上部结构刚度和不同地震动强度时的地震反应情况。研究表明，对于高层的独立基础钢筋混凝土框架结构来说，考虑相互作用后场地变软和上部结构刚度增大不一定使楼层顶层位移增大，但是软弱场地对结构起到一定的减震作用，并且增大上部结构刚度会使楼层剪力和弯矩有所增加；基础埋置深度的增大能使结构更好地嵌固于地基土中，但同时结构内力有所增加，工程费用也会相应增加。另外，本文还通过建立简单的并列质点系模型，采用Matlab语言编程分析，简要讨论了桩筏基础结构体系下的土与结构的动力相互作用特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 土与结构动力相互作用概述
• 1.2.1 土与结构动力相互作用的概念
• 1.2.2 土与结构动力相互作用的发展历史
• 1.2.3 土与结构动力相互作用的分析方法
• 1.2.4 土与结构动力相互作用研究的若干问题思考
• 1.3 与地基有关的震害举例
• 1.4 本文的工作
• 第二章 时程分析方法及动力方程求解
• 2.1 时程分析方法
• 2.1.1 上部结构动力方程
• 2.1.2 上部结构计算模型
• 2.2 动力方程的求解方法
• 2.2.1 威尔逊θ法（Wilson-θ法）
• 2.2.2 纽马克-β法（Newmark-β法）
• 第三章 动力本构模型及地动力刚度阻尼计算
• 3.1 构件恢复力特性曲线计算模型
• 3.1.1 双线型模型
• 3.1.2 退化双线型模型
• 3.1.3 退化三线型模型
• 3.2 土的动力本构模型
• 3.2.1 土的基本动力本构模型
• 3.2.2 土的组合动力本构模型
• 3.3 地动力刚度阻尼计算
• 3.3.1 田冶见计算方法
• 3.3.2 Newmark和Rosenbluth计算方法
• 3.3.3 常集总参数法
• 第四章 土与结构相互作用分析模型建立
• 4.1 土与上部结构相互作用模型的建立
• 4.1.1 不同分析模型分析
• 4.1.2 Canny软件介绍
• 4.1.3 土与上部结构相互作用分析模型
• 4.2 桩—土—上部结构耦合体系模型的建立
• 4.2.1 桩—土—上部结构耦合体系模型
• 4.2.2 计算程序编写
• 第五章 土与结构相互作用模型分析结果
• 5.1 不同场地土的影响
• 5.1.1 不同场地土情况下体系的自振频率及周期
• 5.1.2 不同场地土情况下的位移、速度与加速度
• 5.1.3 不同场地土情况下的楼层剪力和弯矩
• 5.1.4 不同场地土情况下相互作用体系能量
• 5.2 地震波输入强度的影响
• 5.2.1 不同地震波强度时的位移、速度与加速度
• 5.2.2 不同地震波强度时的楼层剪力和弯矩
• 5.2.3 不同地震波强度时相互作用体系能量
• 5.3 基础埋深的影响
• 5.3.1 不同基础埋深时体系的自振频率及周期
• 5.3.2 不同基础埋深时的位移、速度与加速度
• 5.3.3 不同基础埋深时的楼层剪力和弯矩
• 5.3.4 不同基础埋深时相互作用体系能量
• 5.4 上部结构刚度的影响
• 5.4.1 不同上部结构刚度时体系的自振频率及周期
• 5.4.2 不同上部结构刚度时的位移、速度与加速度
• 5.4.3 不同上部结构刚度时的楼层剪力和弯矩
• 5.4.4 不同上部结构刚度时相互作用体系能量
• 5.5 本章小结
• 第六章 桩—土—上部结构相互作用模型分析结果
• 6.1 考虑相互作用情况下，耦合体系上部结构的地震动反应情况
• 6.2 耦合体系地基土反应情况
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文工作的总结
• 7.1.1 研究工作过程
• 7.1.2 本文研究成果
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 附录