成层地基—桩基—上部结构动力相互作用理论分析与试验研究

论文摘要

大量的理论分析和研究表明,在地基土质较软的情况下,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十分重要的影响,其地震响应将发生显著的变化。广大研究者和工程技术人员在实践中已经意识到将上部结构和基础考虑作为一相互作用的整体进行设计的必要性和优越性,无论是对于静力还是动力特性研究,桩-土-结构作为一个整体计算出的结果不仅与通常的刚性地基假定所得有较大出入,而且不同土层土质、桩属性条件下的相互作用体系所表现的受力与变形特点也不尽相同。本文工作将围绕地基-基础-上部结构共同作用这一课题作进一步探讨,侧重于水平地震作用下成层地基中的桩基-建筑物的动力相互作用特性研究,试图通过理论分析和试验研究,认识地基-基础-上部结构动力相互作用机理,为实践应用提供指导,亦为考虑成层地基-桩基-上部结构动力相互作用的抗震设计提供一定的理论依据和设计建议。本文共分为七章,分别做了如下工作:1、通过对大量相关文献的概括总结,评述了国内外开展土-结构动力相互作用研究的现状与发展水平,对地基-桩-上部结构动力相互作用的方法进行了归纳总结,分析了已有研究工作成果的局限性及优缺点,提出了本文针对桩基上下部结构体系所采用的理论和试验研究途径以及基本框架思路。2、对模型试验的场地土进行了动力特性对比试验研究。通过动模量的室内外试验以及室内对比试验,比较了室内外试验确定的动模量的差异。同时研究室内动三轴试验和循环单剪试验所确定的土动力参数,并比较了它们的差异,分析了试验结果差异的原因。并首次运用最新引进的循环单剪系统,对场地内各层土分别进行循环单剪试验,确定了场地各土层的动力特性指标。3、考虑土的动力非线性这一特征,计入土动模量随动应变增长而衰减的影响,首次提出了考虑土动模量衰减的粘性和粘弹性人工边界,并研究了其相应的边界反射系数。这两种新的人工边界可有效消除波在人工边界上的反射,且能有效模拟波由近场向远场的传播。算例表明这两种边界具有一定的稳定性,可用于长持时间的土体波动问题。其中粘弹性人工边界包括二维出平面切向、平面内切向、平面内法向粘弹性人工边界公式和三维切向、三维法向粘弹性人工边界公式,并分别通过算例检验了它们的稳定性和有效性。4、研究了现有常用的接触面模型的优缺点,并对目前应用较多的大型通用有限元软件MSC.Marc软件和ANSYS软件中接触模型的计算理论进行了评述。从而提出了一种新的二维和三维桩土动力接触模型的本构行为,并推导了其相应的

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 土－结构动力相互作用研究背景
• 1.2 开展土－结构动力相互作用研究的必要性
• 1.3 土－结构动力相互作用研究的历史与现状
• 1.3.1 国外的研究历史与现状
• 1.3.2 国内的研究历史与现状
• 1.4 土－结构动力相互作用的研究方法
• 1.4.1 理论研究方法
• 1.4.2 试验研究方法
• 1.5 通用有限元软件 MSC.MARC 简介
• 1.6 本文研究内容
• 第2章 场地土动力特性试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 场地土的工程地质条件
• 2.3 场地土动模量的室内外试验研究
• 2.3.1 现场剪切波速测试
• 2.3.2 实验室循环单剪试验
• 2.3.3 动模量的比较和分析
• 2.4 动模量的室内对比试验研究
• 2.4.1 试验的基本情况
• 2.4.2 试验结果比较和分析
• 2.5 阻尼比的室内对比试验研究
• 2.5.1 循环单剪试验结果
• 2.5.2 动三轴试验结果
• 2.5.3 两种试验结果比较
• 2.6 场地土动力特性的试验确定
• 2.7 本章小节
• 第3章 地基波动问题中非线性人工边界研究
• 3.1 引言
• 3.2 人工边界的研究历史和分类
• 3.3 考虑动模量衰减的粘性人工边界
• 3.3.1 粘性人工边界公式
• 3.3.2 粘性人工边界的反射系数
• 3.4 考虑动模量衰减的二维粘弹性人工边界
• 3.4.1 二维粘弹性人工边界公式
• 3.4.2 二维粘弹性人工边界的反射系数
• 3.5 考虑动模量衰减的三维粘弹性人工边界
• 3.5.1 三维切向粘弹性人工边界公式
• 3.5.2 三维法向粘弹性人工边界公式
• 3.6 粘性和粘弹性人工边界的有限元实现方法
• 3.7 算例分析
• 3.7.1 粘性人工边界算例
• 3.7.2 二维粘弹性人工边界算例
• 3.7.3 三维粘弹性人工边界算例
• 3.7.4 人工边界的比较
• 3.8 本章小结
• 第4章 桩土动力分析中接触模型的研究
• 4.1 引言
• 4.2 土与结构界面模型的研究与应用现状
• 4.3 二维桩土动力接触模型的研究
• 4.3.1 接触模型的本构关系
• 4.3.2 接触单元的单元刚度矩阵
• 4.3.3 接触单元的阻尼矩阵
• 4.3.4 单元的厚度选择
• 4.4 三维桩土动力接触模型的研究
• 4.4.1 三维接触模型的本构关系
• 4.4.2 三维接触单元的单元刚度矩阵
• 4.4.3 三维接触单元的阻尼矩阵
• 4.5 算例分析
• 4.6 本章小节
• 第5章 成层地基－桩基－框架结构大比例模型试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验模型的设计与制作
• 5.2.1 试验模型设计
• 5.2.2 试验模型制作
• 5.3 模型的试验研究
• 5.3.1 地脉动激励下的模型试验研究
• 5.3.2 顶部牵引激励下的模型试验研究
• 5.3.3 顶部机械激励下的模型试验研究
• 5.4 本章小节
• 第6章 大比例试验模型的地震反应分析
• 6.1 引言
• 6.2 地震动输入
• 6.3 有限元模型的建立
• 6.4 计算分析方法
• 6.5 有限元模型的验证
• 6.6 地震反应分析
• 6.6.1 场地的地震反应分析
• 6.6.2 上部结构的地震反应分析
• 6.6.3 参数分析
• 6.6.4 结构动力特性的变化
• 6.7 本章小节
• 第7章 基于土－结构动力相互作用思想的隔震研究
• 7.1 引言
• 7.2 成层地基中单桩水平阻抗函数研究
• 7.2.1 水平振动端承桩
• 7.2.2 水平振动摩擦桩
• 7.3 土层换填的隔震方法
• 7.3.1 土层属性对阻抗的影响
• 7.3.2 土层换填的减震效果
• 7.3.3 土层换填的隔震思路
• 7.4 算例分析
• 7.5 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 附录A（攻读学位期间所发表的学术论文目录）
• 致谢