土—多层框架相互作用体系动力特性及抗震性能试验研究

论文摘要

建筑结构抗震设计中的地震反应分析多采用刚性地基假定,计算模型常仅考虑上部结构。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地基基础考虑为一个相互作用的整体进行设计的必要性和优越性。本文结合国家自然科学基金课题《地基-基础-上部结构相互作用体系动力特性研究》（NO.50278033）,《基于土与结构动力相互作用的结构隔震研究》（NO.50578062）,对土-结构动力相互作用体系进行了一系列试验研究,并在此基础上通过改变基础周围土体的性质,研究了土-结构动力相互作用体系的抗震性能。本文共分为五章,主要内容安排如下:（1）回顾了土-结构动力相互作用的理论研究工作的发展历史、各种研究方法以及本领域的一些主要研究问题,并特别介绍了本领域的研究成果在国内外抗震设计规范中的应用以及高级非线性有限元软件MSC.MARC（2）主要介绍了室内1/4钢框架模型试验,通过牵引释放试验测得了模型在不同工况下的动力特性,如基本频率、阻尼比、振型等。发现上部结构与地基相对刚度比越大基频折减率越大,并由试验数据得到它们之间的关系式。（3）通过对加筋干砂的室内动三轴试验,研究了所加土工布的数量以及围压对土动力参数（如动剪模量,动阻尼比等）的影响,由试验结果拟合后得到模量比与动应变关系的经验公式。（4）运用有限元软件MSC.MARC建立了考虑土-结构动力相互作用的1/4钢框架有限元模型,进行了不同频谱特性地震动输入下地震反应分析,总结了相互作用体系的一些规律。通过改变基础周围土体的性质,进行了多种工况下的计算,发现在基础周围换填砂垫层或者加筋砂垫层,对于上部结构层间剪力折减具有明显影响。（5）介绍了土-结构动力相互作用问题的实用性计算方法,通过两步等效,将土-结构动力相互作用体系等效成底部固定的单自由度体系,从而达到通过修改结构动力参数来考虑动力相互作用,以便于使用刚性基础体系反应谱进行抗震设计的目的,从所给算例及试验结果来看,效果良好。

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 土-结构动力相互作用研究的发展历史
• 1.3 土-结构动力相互作用研究方法
• 1.3.1 土-结构动力相互作用的试验研究方法
• 1.3.2 土-结构动力相互作用的理论研究方法
• 1.4 考虑土-结构动力相互作用的抗震设计
• 1.5 通用有限元软件MSC.MARC 简介
• 1.6 论文的主要内容及组织
• 第2章 室内1/4 模型试验
• 2.1 引言
• 2.2 模型情况介绍
• 2.2.1 试验土槽
• 2.2.2 模型设计
• 2.2.3 测点布置
• 2.2.4 仪器设备及采样参数设置
• 2.2.5 试验工况
• 2.2.6 试验方法
• 2.3 试验结果及分析
• 2.3.1 体系振动及基频分析
• 2.3.2 与现行规范比较
• 2.3.3 体系振型分析
• 2.3.4 体系阻尼比分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 加筋砂动三轴试验
• 3.1 引言
• 3.2 等效线性模型
• 3.2.1 确定动剪模量
• 3.2.2 确定阻尼比
• 3.3 试验介绍
• 3.3.1 试验设备
• 3.3.2 试验原理
• 3.3.3 试验方案
• 3.3.4 试样制备与试验步骤
• 3.4 试验成果整理及分析
• 3.4.1 动应力-应变骨干曲线
• 3.4.2 动模量比-应变曲线
• 3.4.3 阻尼比-应变曲线
• 3.5 本章小结
• 第4章 MSC.MARC 建模分析
• 4.1 引言
• 4.2 有限元模型的建立
• 4.2.1 网格划分
• 4.2.2 地基土计算模型
• 4.2.3 三维粘性人工边界及其有限元实现方法
• 4.2.4 土-基础接触及其有限元实现
• 4.3 计算分析方法
• 4.3.1 模态分析方法
• 4.3.2 时程分析方法
• 4.4 地震动输入
• 4.5 自由场反应
• 4.6 计算结果分析
• 4.6.1 SSI 效应对层间剪力影响
• 4.6.2 换填土对相互作用的影响
• 4.7 本章小结
• 第5章 考虑土-结构动力相互作用的实用计算方法
• 5.1 引言
• 5.2 基本假定
• 5.3 简化模型的建立
• 5.3.1 考虑 SSI 效应的结构体系
• 5.3.2 考虑 SSI 效应的三自由度体系
• 5.3.3 等效单自由度体系
• 5.3.4 算例
• 5.4 与试验结果对比
• 5.5 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）