土—箱基—框架结构动力相互作用的试验研究与理论分析

论文摘要

地基—基础—上部结构动力相互作用问题的研究对正确预测结构的地震反应具有十分重要的意义，也是近二、三十年来地震工程研究领域中的热点和难点课题之一。目前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，我国现行的《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）对高层建筑在考虑地基—基础—上部结构共同作用下的结构设计也作了一定解释。但许多理论研究结果由于缺乏试验验证难以指导实际工程设计。 本文针对上述现象，设计实现了土—箱基—框架结构动力相互作用体系的野外现场大比例（1／2）试验模型。该试验模型建在真实无限域场地土上，避免了截断人工土层带来的试验误差，同时上部结构采用7层12m高的钢筋混凝土框架结构，避免了常规小比例模型由于难以满足相似关系而不能作定量研究的缺点。该大比例模型试验是目前国际上最大比例的框架结构与地基动力相互作用模型试验。 在野外大比例模型试验的基础上，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箱基—建筑物的动力相互作用特性研究，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，亦为考虑层状土—箱基—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。本文共分为六章，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，提出了本文针对箱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、完成了野外大比例（1／2）土—箱基—框架结构动力相互作用的试验研究，试验内容包括上部结构空载、半载和满载三种工况下的结构脉动、牵引、顶部激振和爆破震动试验以及上部结构满载情况下箱基半开挖和全开挖工况下的结构脉动、牵引和顶部激振试验。获取了一系列有价值的宝贵试验数据，并通过对试验数据的分析，探讨了相互作用对体系动力特性以及动力反应的影响。 3、对模型试验的层状场地土分别通过现场下孔法剪切波速试验和室内循环单剪试验进行了动力特性对比试验研究。首次运用最新引进国内唯一的循环单剪系统，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。现场剪切波速试验计算得到的各土层的最大动剪切模量Gdmax值与实验室循环

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及该课题的研究背景
• 1.2 课题研究的必要性
• 1.3 土—结构动力相互作用研究的发展历史
• 1.3.1 国外理论研究发展过程
• 1.3.2 国内理论研究发展过程
• 1.3.3 试验研究发展过程
• 1.4 土—结构动力相互作用的理论分析方法
• 1.4.1 整体分析法
• 1.4.2 子结构分析法
• 1.4.3 集总参数法
• 1.5 土—结构动力相互作用主要存在的问题
• 1.6 本文工作
• 第2章 土—箱基—框架结构动力相互作用野外大比例模型试验
• 2.1 概述
• 2.2 试验目的及内容
• 2.3 试验模型设计与制作
• 2.3.1 场地土特性
• 2.3.2 基础及上部结构模型设计
• 2.4 材料性能指标
• 2.4.1 场地土的性能参数
• 2.4.2 钢筋材性试验结果
• 2.4.3 混凝土材性试验结果
• 2.5 模型试验研究及主要试验结果
• 2.5.1 地脉动激励下模型试验研究及主要试验结果
• 2.5.2 顶部牵引释放自由振动试验研究及主要试验结果
• 2.5.3 顶部简谐激振试验研究及主要试验结果
• 2.5.4 爆破振动试验研究及主要试验结果
• 2.6 本章小结
• 第3章 土—箱基—框架结构动力相互作用的人工边界对比分析
• 3.1 概述
• 3.1.1 全局人工边界条件
• 3.1.2 局部人工边界条件
• 3.2 粘弹性人工边界条件
• 3.2.1 二维粘弹性人工边界条件
• 3.2.2 三维粘弹性人工边界条件
• 3.2.3 粘弹性人工边界精度分析
• 3.2.4 基于粘弹性人工边界的波动输入方法
• 3.3 透射人工边界
• 3.3.1 均匀平面波假定的多次透射公式
• 3.3.2 几何衰减平面波假定的多次透射公式
• 3.3.3 频域反射系数
• 3.3.4 多次透射公式的数值实现
• 3.3.5 散射问题的波动输入技术
• 3.4 算例分析
• 3.4.1 均匀弹性半空间波源问题
• 3.4.2 均匀弹性半空间散射问题
• 3.5 本章小结
• 第4章 土—箱基—框架结构动力相互作用的非线性有限元分析
• 4.1 概述
• 4.2 建模方法和计算方法
• 4.2.1 土的非线性动力本构模型
• 4.2.2 土体与结构接触截面上的状态非线性模拟
• 4.2.3 有限元网格划分
• 4.2.4 阻尼模型
• 4.2.5 上部结构钢筋混凝土非线性模型
• 4.3 计算分析方法
• 4.4 算例分析
• 4.4.1 动力有限元模型模态分析
• 4.4.2 牵引释放自由振动试验对比分析
• 4.4.3 爆破地震试验对比分析
• 4.5 地震作用下土—结构动力相互作用参数分析
• 4.5.1 场地对地震波传播的影响
• 4.5.2 上部结构地震反应分析
• 4.5.3 土层结构对上部结构动力反应的影响
• 4.5.4 土性不同对上部结构动力反应的影响
• 4.5.5 刚度不同对上部结构动力反应的影响
• 4.5.6 不同地震加速度峰值对上部结构动力反应的影响
• 4.5.7 规范对相互作用影响的考虑
• 4.6 本章小结
• 第5章 相邻建筑物间的动力相互作用
• 5.1 概述
• 5.2 模型参数
• 5.3 计算结果与分析
• 5.3.1 牵引释放振动分析
• 5.3.2 地震作用分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 土-箱基-框架结构动力相互作用的基础阻抗分析
• 6.1 概述
• 6.2 地基阻抗公式推导
• 6.3 系统顶部激振计算模型
• 6.4 顶部激振试验及试验结果
• 6.5 理论对比分析
• 6.5.1 上部结构质量对系统反应的影响
• 6.5.2 基础侧限埋深对系统反应的影响
• 6.5.3 基础侧限埋深对阻抗函数影响的试验值和理论值对比
• 6.6 本章小结
• 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）