论文题目: 土-结构动力相互作用的计算方法研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 结构工程
作者: 尹华伟
导师: 易伟建
关键词: 土结构动力相互作用,地震反应分析,非线性分析,静力弹塑性分析,横向推力桩,有限元,界面元,人工边界
文献来源: 湖南大学
发表年度: 2005
论文摘要: 土-结构动力相互作用是当前土木工程领域的一个前沿研究课题。由于考虑土-结构相互作用对结构地震反应具有有利或不利的双重影响性质,因此进行土-结构的动力相互作用分析相应也就具有确保结构安全与节省建设投资的双重意义。然而,由于土-结构动力相互作用分析的复杂性,仅以现有的理论研究成果尚难以确定土-结构相互作用对结构地震反应是否有利,故理论研究还需进一步加深。因此,在广泛查阅文献资料的基础上,本文进行了以下几个方面的研究工作: 1.考虑了土的自重产生的围压对土极限承载力的影响后,利用Mohr-Coulomb屈服准则得到了土的极限承载力沿深度的变化关系,并采用双曲线函数来描述这一关系。在对几种p-y曲线的特性进行探讨后,建议采用双曲线函数p-y曲线,再由p-y曲线确定的土弹簧系数来建立桩的动力非线性微分方程,并给出了非线性方程的差分解。为便于工程应用,本文还给出了桩的简化分析模型,简化分析模型将桩划分为埋入土中段和自由悬臂段两部分,通过改变自由悬臂段长度考虑桩的非线性特性。然后采用数值算例说明了进行非线性分析的必要性及本文差分方法和简化分析方法的可靠性。 2.采用简化的单桩分析模型和多分段杆单元模型对独立桩承框架结构进行了地震反应时程分析。通过大量的数值分析结果,总结了土-结构相互作用效应对结构地震反应影响的规律。 3.无穷远地基的模拟是采用有限元等数值分析方法进行土-结构动力相互作用整体直接时程分析的关键问题。本文推导了平面内P波作用下的一致边界公式,并通过平面内波动数值分析对常用的粘滞边界与本文一致边界的计算精度进行对比,对比表明本文一致边界比粘滞边界的计算精度高。 4.对三维土-结构动力相互作用的整体直接时程分析进行研究。提出了一类简单适用的三维过渡界面单元,并推导了该过渡界面单元的显式刚度矩阵。采用界面元和有限元来模拟上部结构、基础和近域地基,远域地基采用人工边界模拟。编制了土-结构体系地震反应的直接时程分析程序。 5.对静力弹塑性分析(Pushover)方法的物理意义进行了有益的探讨之后,指出了该方法存在的一些局限,考虑了结构第二、第三两阶振型对结构地震反应的影响,并在把MDOF体系转换为等效SDOF体系和进行等效SDOF体系的动力时程分析时,将结构视为两个不同的结构。数值算例表明:采用本文改进的静力弹塑性分析方法后,计算结果精度明显提高,对结构的损伤评估与试验观测结果更为吻合。
论文目录:
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 土—结构动力相互作用分析的理论意义与工程背景
1.1.1 土—结构相互作用分析的定义
1.1.2 土—结构动力相互作用分析的必要性
1.1.3 土—结构动力相互作用分析的理论意义
1.1.4 土—结构动力相互作用分析的工程价值
1.2 土—结构动力相互作用分析的研究方法
1.2.1 土—结构动力相互作用分析的理论研究
1.2.2 土—结构动力相互作用分析的试验研究
1.3 本文的研究目的和主要内容
1.3.1 本文的研究目的
1.3.2 主要内容
第2章 横向推力单桩动力非线性分析
2.1 概述
2.2 横向推力单桩动力非线性平衡方程的建立
2.2.1 极限土承载力的计算
2.2.2 极限土承载力的双曲线函数表示
2.2.3 弹簧系数的确定与动力微分方程的建立
2.2.4 桩的p-y曲线的探讨
2.2.5 动力非线性微分方程的改进
2.3 桩的动力非线性微分方程的差分解
2.4 桩的动力非线性微分方程的简化解
2.5 数值算例
2.6 小结
第3章 独立桩承框架结构动力相互作用分析
3.1 概述
3.2 独立桩承框架结构动力相互作用分析模型的建立
3.2.1 精确多分段杆单元刚度矩阵的推导
3.2.2 截面M-φ恢复力模型
3.2.3 广义等效桩弹簧的设计及参数的计算
3.2.4 考虑土对基础梁作用时的基础梁单元刚度矩阵
3.3 动力刚度矩阵的缩聚及阻尼矩阵的确定
3.4 独立桩承框架结构地震反应分析
3.4.1 数值算例选用的结构
3.4.2 本文杆单元与多分段杆单元模型的比较
3.4.3 结构自振特性分析
3.4.4 结构最大层间位移分析
3.4.5 位移时程曲线分析
3.5 小结
第4章 无穷远域地基的模拟
4.1 概述
4.2 模拟平面内P波向无穷远传播的一致边界
4.3 数值算例
4.4 小结
第5章 土-结构动力相互作用的数值分析方法
5.1 概述
5.2 一类简单的三维过渡界面元
5.2.1 界面元法简介
5.2.2 一类简单的三维过渡界面元单元刚度矩阵的确定
5.2.3 弹塑性界面元
5.3 三维土-结构动力相互作用分析模型的建立
5.4 大型结构动力分析所需的数值分析技术
5.4.1 14点高斯积分
5.4.2 显式积分格式
5.4.3 共轭梯度迭代法
5.4.4 逐单元(EBE)计算格式
5.4.5 单元阻尼矩阵的确定
5.5 数值算例
5.6 小结
第6章 Pushover方法及其在土-结构动力相互作用分析中的应用
6.1 概述
6.2 Pushover方法简介
6.2.1 Pushover方法的基本原理
6.2.2 Pushover方法的水平加载模式
6.2.3 Pushover方法的实施步骤
6.3 Pushover方法的局限及改进
6.3.1 常规Pushover方法的局陷
6.3.2 本文对Pushover方法的改进
6.4 Pushover方法在土-结构动力相互作用分析中的应用
6.4.1 MDOF体系运动方程的建立
6.4.2 地基辐射阻尼的近似考虑
6.4.3 基底剪力-顶层位移曲线及等效SDOF体系的恢复力模型
6.5 数值算例
6.5.1 对Pushover方法改进的算例
6.5.2 Pushover在土-结构相互作用中的应用算例
6.6 小结
结论
参考文献
致谢
附录A 攻读博士学位期间发表的论文
附录B 第3章部分插图
发布时间: 2005-09-27
参考文献
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