桩—土—结构相互作用体系非线性地震反应分析

论文摘要

大量的理论分析和研究表明,考虑地基-基础-上部结构动力相互作用对结构物的动力特性具有重要的影响,其地震响应将发生显著的变化。而且对于不同的土层组成,不同的上部结构形式,相互作用体系所表现的受力和变形特点也不尽相同。抗震规范在考虑结构相互作用时规定,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的结构必须进行弹塑性变形验算。但简化的变形验算方法是在地基刚性假定下得出的,考虑相互作用体系弹塑性特性后,对于各种不同的结构形式和建造场地,折减方法是否合理,简化弹塑性变形验算是否恰当,是一个仍值得研究的问题。而且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成熟的研究成果更少。桩基础是一种应用广泛的深基础,在基础工程中具有重要的地位,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。本文在前人研究成果的基础上,利用ANSYS分析程序对桩-土体系以及桩-土-结构体系进行罕遇地震作用下的有限元数值模拟分析,研究了其地震反应方法及规律,具体工作包括:（1）通过对文献的概括,评述了国内外开展土-结构动力相互作用研究的现状和发展水平,对桩-土-上部结构动力相互作用的方法进行了归纳总结。（2）确定了适合于桩-土-结构体系的弹塑性本构关系,建立了一种桩-土-结构体系动力相互作用的有限元解决方法,包括非线性动力方程的求解方法,土体边界的模拟,网格大小的划分,阻尼的考虑等。（3）建立了一种桩-土相互作用三维非线性有限元分析模型,充分考虑了材料的非线性和接触的非线性,并利用APDL语言实现了粘弹性边界在ANSYS中的二次开发,对进行弹塑性时程分析的粘弹性人工边界予以修正,分析了桩-土体系在Ⅱ、Ⅲ类场地上动力特性的变化规律。（4）分别对上部为5层、10层或者20层的框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构的桩-土-结构相互作用体系在Ⅱ、Ⅲ类场地进行了非线性地震反应分析,对其内力和变形的反应特性进行了归纳对比。得出了一些有益的结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 土-结构动力相互作用国内外研究现状
• 1.1.1 国外研究历史和现状
• 1.1.2 国内研究历史与现状
• 1.2 土-结构动力相互作用的研究方法
• 1.2.1 理论研究方法
• 1.2.2 试验研究方法
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 桩-土-结构非线性动力相互作用的研究
• 2.1 引言
• 2.2 本构模型的研究
• 2.2.1 弹塑性理论
• 2.2.2 弹塑性本构模型
• 2.2.3 结构弹塑性本构模型的选取
• 2.2.4 土体弹塑性本构模型的选取
• 2.3 有限元分析步骤及动力方程的求解
• 2.3.1 有限元法及分析步骤
• 2.3.2 动力方程及计算方法
• 2.3.3 非线性动力方程及计算方法
• 2.3.4 动力方程中的阻尼
• 2.3.5 单元网格的划分
• 2.4 本章小结
• 第3章 群桩-土体系非线性地震反应分析
• 3.1 引言
• 3.2 模型的建立
• 3.2.1 桩-土接触的模拟
• 3.2.2 人工边界
• 3.3 数值计算与分析
• 3.3.1 考虑非线性的影响
• 3.3.2 土层分布属性的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 桩-土-上部结构非线性地震反应分析
• 4.1 引言
• 4.2 模型相关参数的确定
• 4.2.1 地基土参数
• 4.2.2 输入地震动
• 4.2.3 接触模拟的实现
• 4.3 桩-土-框架结构相互作用分析
• 4.3.1 体系的动力特性
• 4.3.2 相互作用对结构内力及变形的影响
• 4.4 桩-土-剪力墙结构相互作用分析
• 4.4.1 相互作用墙肢轴力的影响
• 4.4.2 相互作用对墙肢剪力的影响
• 4.4.3 相互作用对结构层间位移的影响
• 4.5 桩-土-框架剪力墙结构相互作用分析
• 4.5.1 相互作用对结构层间位移的影响
• 4.5.2 相互作用对荷载分担比的影响
• 4.6 抗震中考虑相互作用折减的讨论
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A （攻读学位期间所发表的学术论文目录）