单桩横向非线性动力响应简化分析方法研究

论文题目: 单桩横向非线性动力响应简化分析方法研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 结构工程

作者: 刘忠

导师: 沈蒲生

关键词: 工程结构,单桩横向非线性动力响应,有限元,模型,简化分析,惯性响应,运动响应

文献来源: 湖南大学

发表年度: 2005

论文摘要: 地震运动过程中，地基土-桩基础的横向动力相互作用，分别称为桩基础的横向惯性响应和运动地震响应。关于桩基础横向动力响应的简化分析方法，大多数采用基于线粘弹性假设的动力Winkler地基梁模型(动力p-y曲线法)。不过，线性分析仅局限于小位移梯度，而在强烈的地震运动过程中，由于应力集中，桩周土将产生较大的非线性应力场和位移场，导致土-桩界面分离，桩基础的动力响应，也将呈现强烈的非线性。因此，在线弹性动力学理论框架下建立的简化分析方法，不能满意地描述桩基础的动力学响应。本文主要研究单桩横向非线性动力响应问题。首先，利用有限元分析软件ANSYS，构造了一个能够反映非线性因素影响的三维有限元模型，利用该模型，较为全面地研究了不同荷载作用下的单桩横向非线性动力响应，详细讨论了各种几何、物理参数和非线性因素对单桩横向非线性动力响应的影响。其次，根据数值模拟分析结果和地震运动过程中地基土-桩基础-上部结构系统动力相互作用的基本特征，采用描述迟滞非线性系统本构关系的Bouc-Wen模型，在Winkler-Kelvin地基模型的基础上，建立了一个新的、能够考虑各种非线性因素影响的、研究单桩横向非线性动力响应的简化分析模型。该模型采用非线性Winkler-Kelvin地基模型，将复杂的地基土-单桩动力相互作用的三维问题，简化为一维问题，即，地基土对桩轴的横向非线性作用力，由随深度均匀分布的水平非线性弹簧模拟，非线性弹簧恢复力由退化的Bouc-Wen模型描述；地基土中由于能量耗散和内部摩擦而产生的幅射阻尼和材料阻尼，由与水平非线性弹簧并联的粘壶表示。该模型能够反映动力荷载作用下，桩周土的屈服、滞后性、变形积累、强度和刚度退化等材料非线性，以及土-桩界面分离等状态非线性，对单桩横向动力响应的影响，可以较好地描述桩周土由弹性变形到塑性变形的整个非线性变形过程。该模型适用于不同的地质条件，计算参数都为土力学参数，可以利用现行的设计规范、通过拟合准静态单调加载或循环加载现场试验数据曲线，加以确定和校准。最后，利用该简化分析模型、相关的计算方法、以及运动响应因子的概念，分别研究了单桩横向非线性惯性响应和非线性运动地震响应问题，并进一步讨论了各种系统参数和非线性因素的影响。计算结果表明，本文建立的简化分析模型，能够有单桩横向非线性动力响应简化分析方法研究效地模拟单桩横向非线性动力响应问题。关键词:工程结构;单桩横向非线性动力响应;有限元;B。uc一Wen模型;简化分析;惯性响应;运动响应

论文目录:

摘要

Abstract

1 绪论

1． 1 地基土-上部结构动力相互作用的研究意义

1． 2 地基土-结构动力相互作用的研究方法

1． 2． 1 地基土和上部结构力学模型的研究

1． 2． 2 地基土-上部结构动力相互作用问题的分析方法

1． 2． 3 试验方法

1． 3 地基土-桩基础-上部结构动力相互作用的研究

1． 3． 1 地基土-桩基础-上部结构动力相互作用主要研究内容

1． 3． 2 地震过程中，桩承结构横向动力响应的基本特征

1． 3． 3 地基土-桩基础-上部结构动力相互作用分析的子结构分析法

1． 4 地基土-桩基础-上部结构动力相互作用研究方法

1． 4． 1 解析方法

1． 4． 2 有限元方法

1． 4． 3 边界元方法

1． 4． 4 动力Winkler地基梁模型(BDWF模型)

1． 5 地基土-桩基础-上部结构动力相互作用的研究进展

1． 5． 1 动荷载作用下的单桩

1． 5． 2 动荷载作用下的群桩

1． 5． 3 地基土-桩基础-上部结构动力相互作用

1． 6 本文研究的主要内容

2 单桩横向非线性动力响应的三维有限元数值模拟

2． 1 引言

2． 2 地基土-单桩系统三维有限元几何模型

2． 2． 1 地基土-单桩系统三维有限元模型的基本参数

2． 2． 2 地基土-单桩系统三维有限元模型的几何构造

2． 2． 3 三维有限元模型的运动约束条件

2． 3 三维有限元模型的单元类型和单元划分

2． 3． 1 单桩、地基土单元类型

2． 3． 2 地基土-单桩界面单元类型

2． 3． 3 单元网格划分

2． 4 地基土和桩性能

2． 4． 1 地基土性能

2． 4． 2 桩性能

2． 5 初始荷载条件

2． 6 地基土-单桩系统三维有限元模型验证

2． 6． 1 地基土-单桩系统三维有限元模型(准)静力学验证

2． 6． 2 地基土-单桩系统三维有限元模型动力学验证

2． 7 单桩横向非线性响应的三维有限元数值模拟

2． 7． 1 (准静态)单调循环荷载

2． 7． 2 地基土的弹塑性、地基土-单桩界面的影响

2． 7． 3 单桩长细比和直径的影响

2． 8 单桩横向非线性惯性响应的三维有限元数值模拟

2． 8． 1 简谐荷载

2． 8． 2 地基土的弹塑性、地基土-单桩界面的影响

2． 9 单桩横向非线性运动地震响应的三维有限元数值模拟

2． 9． 1 地震作用

2． 9． 2 地基土的弹塑性、地基土-单桩界面的影响

3 迟滞非线性材料的数学模型

3． 1 引言--结构的非线性

3． 2 迟滞非线性材料恢复力模型

3． 2． 1 双线性模型

3． 2． 2 光滑模型

3． 2． 3 退化模型

3． 3 迟滞非线性材料恢复力过程的数学描述

3． 3． 1 迟滞恢复力的力学解释模型

3． 3． 2 双线性模型恢复力过程的数学描述

3． 3． 3 光滑模型恢复力过程的数学描述

3． 3． 4 光滑退化模型恢复力过程的数学描述

4 单桩横向非线性动力响应简化分析模型

4． 1 引言

4． 2 横向单调荷载作用下，单桩的工作性状

4． 3 单桩横向非线性动力响应简化分析模型

4． 3． 1 模型总体描述

4． 3． 2 单桩模型

4． 3． 3 土作用力模型

4． 4 单桩横向运动控制方程和边界条件

4． 4． 1 运动方程

4． 4． 2 边界条件

4． 5 单桩横向运动控制方程的求解方法及初始条件

4． 5． 1 单桩横向非线性惯性响应运动方程的有限元空间离散

4． 5． 2 初始条件

4． 5． 3 求解方法

5 单桩横向非线性惯性响应简化分析

5． 1 引言

5． 2 单桩横向非线性惯性响应简化分析方法的有限元验证

5． 3 单桩横向非线性惯性响应简化分析方法的试验验证

5． 3． 1 单调荷载作用下，单桩横向非线性惯性响应简化分析方法的静力学试验验证

5． 3． 2 简谐荷载作用下，单桩横向非线性惯性响应简化分析方法的动力学试验验证

5． 4 模型参数对单桩横向非线性惯性响应的影响

5． 4． 1 Bouc-Wen模型中无量纲参数的敏感性

5． 4． 2 系统参数对单桩横向非线性惯性响应的影响

6 单桩横向非线性运动地震响应简化分析

6． 1 引言

6． 2 运动响应因子--垂直入射剪切波激励下，单桩横向运动位移线性解

6． 3 单桩横向非线性地震运动响应简化分析

6． 4 系统参数对单桩横向非线性运动地震响应的影响

6． 5 运动响应因子曲线的性态分析

结论

参考文献

致谢

附录A：攻读学位期间所发表的论文

附录B：时域分析方法-Newmark-β法

附录C：单桩横向非线性动力响应数值模拟计算流程图

发布时间: 2005-04-04

参考文献

[1].软粘土地基单桩和复合桩基水平受荷性状[D]. 何奔.浙江大学2016
[2].近海风机超大直径单桩水平承载特性试验与数值分析[D]. 孙永鑫.浙江大学2016
[3].单桩竖向承载力的贝叶斯估计及可靠度研究[D]. 刘士清.华中科技大学2011
[4].水平荷载作用下单桩性状研究[D]. 张磊.浙江大学2011
[5].桩基正常使用极限状态可靠度分析与设计研究[D]. 边晓亚.华中科技大学2014
[6].抗拔桩的承载力与变形研究[D]. 罗少锋.西安建筑科技大学2014
[7].复合桩基共同作用分析[D]. 褚航.浙江大学2003
[8].钙质砂中桩基工程承载性状研究[D]. 江浩.中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所）2009
[9].基于统一强度理论的桩基扩孔问题弹塑性分析[D]. 王亮.长安大学2008
[10].高层建筑桩筏基础模型试验研究[D]. 张武.中国建筑科学研究院2002

单桩横向非线性动力响应简化分析方法研究

猜你喜欢