考虑桩箱-土-结构相互作用的结构振动控制研究

摘要

结构振动控制和桩-土-结构相互作用(PSSI)是当前工程抗震和岩土工程研究中的热点问题。本文主要围绕着带桩箱基础的高层建筑结构的动力特性和振动控制进行了研究,主要内容如下:
　　 1.对考虑桩箱-土-结构相互作用(BPSSI)的高层建筑结构进行了地震响应分析。首先,建立了高层建筑结构考虑BPSSI的地震响应分析模型,推导了其运动方程,然后,以一栋12层的钢框架结构为例,用Matlab自编程序,分析了BPSSI对高层建筑结构地震响应的影响。结果表明:结构考虑BPSSI时的位移是由基础的平移、基础的转动和结构物本身的变形组成的,和刚性地基假设时所得到的结果相比,结构楼层的绝对位移一般都相应地有所增大,而且由于基础转动引起的刚性位移量在结构项层绝对位移中占的比重很大,结构项层位移增幅明显。因此,在进行高层建筑结构抗震设计中的位移校核时,建议考虑BPSSI的影响。
　　 2.对考虑BPSSI的高层建筑结构进行了主动控制研究。现有的结构控制理论大多建立在刚性地基假设的条件下,即忽略BPSSI的影响。但是,土的存在使结构的振动特性发生了很大改变,且很多被动控制和主动控制都是基于结构的振动特性而设计的。这样使得该控制模型与实际结构相差甚大,此差异将会降低主动控制的效果,甚至可能会导致控制的失败。故本文在Penzien模型的基础上建立了结构考虑BPSSI的分析模型,推导了其主动控制方程,并分析了BPSSI对高层建筑结构振动控制效果的影响,以及结构体系的各种主要参数对振动控制效果的影响。算例分析结果表明:BPSSI对高层建筑结构的振动控制有较大影响；桩周土的等效剪切波速、桩的截面惯性矩、箱基础的刚度以及结构体系的上部刚度对考虑BPSSI的高层建筑结构的主动控制也都有一定的影响。
　　 3.对考虑BPSSI的相邻结构进行了主动控制研究。为了减轻或避免相邻结构在地震作用下发生碰撞,提高相邻结构抗震性能,专家学者们提出了在结构之间安装控制设备将各子结构连接起来。通过调节优化振动参数,利用结构之间的相互运动消耗或吸收振动产生的能量,达到减轻结构振动和减小地震响应的目的。本文推导了相邻结构考虑BPSSI的运动方程及控制方程,并分析了BPSSI对相邻结构的振动控制影响,以及土与结构各种主要参数对相邻结构控制效果的影响。算例分析结果表明:BPSSI对相邻结构的位移响应影响较大,对加速度响应影响较小；桩周土的等效剪切波速、桩的截面惯性矩、箱基础刚度和桩基结构的上部刚度在一定范围内对相邻结构的主动控制有着显著影响。因此。进行带桩箱基础的相邻结构振动控制研究时应该考虑BPSSI的影响。