南宁盆地地基-短桩-高层结构地震反应分析方法研究及应用

摘要

短桩基础在南宁盆地的高层建筑中应用十分广泛，这与南宁盆地特有的地层结构有关，目前，已建成的此类项目多达数百栋，规模总值近千亿，但对于这类建筑物在地震荷载下的地震反应如何以及整体抗震方面是否有利等重大工程问题却一直悬而未决，且鲜有人研究，这主要与地震反应问题的复杂性和分析的难度有关。
　　本文针对短桩基础-地基-高层结构体系，结合ABAQUS软件为平台的数值分析技术，提出了一种基于短桩基础-地基-高层结构共同作用体系的非线性地震反应分析方法，并以位于南宁盆地且具有代表意义的某高层住宅楼项目为工程背景，将之成功应用。该研究方法为短桩基础的设计和工程分析提供了较为明确的理论指导，研究结果对同类工程的抗震研究具有重要的借鉴价值，为重大工程问题提供了解决思路。本文的主要工作和创新之处有:
　　(1)系统调研了南宁盆地的地质情况，总结出6种典型的地层组合模式，对南宁盆地各区域的黏土、粉土、圆砾、泥岩等土层的物理力学性质进行了较为细致的参数研究，为后续地震反应分析提供了基础数据。
　　(2)基于数值分析技术，提出了一种能够考虑短桩基础-地基-高层结构体系共同作用的非线性地震反应分析方法，利用该方法能够有效地完成短桩基础建筑体系的整体性地震反应分析。
　　(3)利用编制的Matlab程序，根据不同的超越概率，拟合出适用于南宁盆地地层条件的人工合成地震波。
　　(4)提出了筛选天然地震波的实用方法，遴选了符合南宁盆地地层条件的天然地震波，并编制了地震波校正程序，对选取的地震波进行校正，结果表明:校正后的地震波有效地消除了速度和位移时程曲线的漂移问题。
　　(5)利用Fortran语言编程对ABAQUS软件的接触单元进行了二次开发，并结合具体算例，验证了接触单元的有效性。
　　(6)根据南宁盆地地质情况，挑选了最具代表意义的实际工程项目，构建了短桩基础-地基-高层剪力墙结构体系的三维有限元精细化分析模型，在罕遇双向水平地震条件下，完成了体系的非线性地震反应分析，主震方向为结构最不利地震方向，其中考虑的非线性因素为土体材料非线性和桩-土接触非线性，分析结果表明:南宁盆地的二元地层组合对高层建筑结构的抗震不利，短桩基础-地下室-高层剪力墙结构体系对抗震是有利的。
　　(7)在罕遇双向水平地震条件下，考虑土体的材料非线性和桩-土接触非线性，分析了桩端土体和地下室侧面土体的参数变化对结构地震反应的影响，研究结果表明:桩端土的弹性模量对结构的地震加速度反应的影响最为显著;而地下室侧面土体的弹性模量对结构的地震加速度反应、位移反应和内力反应均有显著影响。
　　(8)在罕遇双向水平地震作用下，研究了短桩-筏板-地下室-高层结构体系对周围土体非线性地震反应的影响，研究结果表明:与自由场的地震反应相比，短桩基础-地下室-上部结构体系的存在使得周围土场的地表结点加速度峰值和相对位移峰值都显著减小。
　　(9)罕遇地震条件下，结合本文分析的工程项目，对高层剪力墙结构和短桩基础分别进行了抗震性能分析，结果表明:短桩基础-高层剪力墙结构体系的抗震性能良好。

目录

声明

摘要

1．1 选题背景及意义

1．2 短桩基础相关研究现状

1．3 桩-土-结构动力相互作用问题的数值分析方法

1．4 高层建筑地震反应问题的研究现状

1．5 有待进一步研究的问题

1．6 本文的研究内容及主要创新点

1．6．1 本文研究的技术路线

1．6．2 本文研究的主要内容

1．6．3 主要创新点

第二章 南宁盆地的地层组合模式及岩土参数研究

2．1 引言

2．2 地层概况及构造特征

2．2．1 地层概况

2．2．2 地质构造特征

2．3 工程地质分区

2．3．1 中部侵蚀堆积阶地大区(Ⅰ)

2．3．2 盆地东部丘陵大区(Ⅱ)

2．3．5 北部低山丘陵大区(Ⅴ)

2．4 南宁盆地各分区岩土体工程性质统计

2．4．1 黏性土

2．4．2 粉土

2．4．3 红黏土

2．4．4 圆砾

2．4．5 泥岩

2．5 南宁盆地地层组合模型

2．6 本章小结

第三章 桩基础-地基-高层结构体系的相互作用机理及分析方法研究

3．1 引言

3．2 桩基础-地基-上部结构体系的相互作用机理

3．2．1 上部结构的影响

3．2．2 桩基础刚度的影响

3．2．3 地基的影响

3．2．4 桩基础-土体接触的影响

3．3 桩基础-地基-高层结构体系的动力分析方法

3．3．1 子结构分析法

3．3．2 整体分析法

3．3．3 现有分析方法的不足之处

3．4 本章小结

第四章 基于ABAQUS软件平台的动力有限元理论分析

4．1 引言

4．2．1 屈服准则

4．2．2 硬化准则

4．2．3 流动准则

4．2．4 基于弹塑性理论的本构关系

4．3 土体和结构的本构模型

4．3．1 土体的弹-塑性本构模型

4．3．2 结构的弹性本构模型

4．4 场地土边界的模拟方法

4．4．1 粘滞边界

4．4．2 有限元与无限元组合法

4．4．3 自由边界

4．5 动力平衡方程的积分方法及其稳定积分的时间步长

4．5．1 Newmark隐式积分法

4．5．2 显式积分法

4．6 接触问题的有限元理论

4．6．1 接触面的力学行为

4．6．2 ABAQUS软件中动力接触问题的算法原理

4．6．3 三维接触模型的本构关系

4．6．4 接触单元刚度矩阵

4．7 动力方程中的阻尼计算

4．8 初始地应力的影响

4．8．1 简单算例

4．8．2 数据处理与分析结果

4．9 本章小结

5．1 引言

5．2 动力时程分析中天然地震波的选取

5．2．1 地震波选取的基本原则

5．2．2 地震波的校正

5．2．3 天然地震波的调整

5．2．4 时程曲线反应谱的比对分析与初选波

5．2．5 地震波的选取数量及输入方式

5．2．6 地震波输入方向的确定

5．3 人工模拟地震波的合成

5．3．1 人工合成地震波的基本原理

5．3．2 程序合成人工波的设计思路

5．4 本章小结

第六章 短桩基础-地基-高层结构共同作用体系非线性地震反应分析方法

6．1 引言

6．2 有限元分析模型

6．2．1 土体材料非线性模拟及分析单元

6．2．2 钢筋混凝土材料模拟及分析单元

6．2．3 自由边界模拟

6．2．4 阻尼设置

6．2．5 接触非线性模拟

6．3 地震波的选取和输入方式

6．4 基于共同作用的建筑体系地震反应分析的步骤

6．5 本章小结

第七章 短桩基础-地基-高层结构共同作用体系非线性地震反应分析方法的工程应用

7．1 引言

7．2 工程概况

7．3 高层结构-短桩基础-地基体系非线性有限元分析模型

7．3．1 基本设定

7．3．2 有限元模型单元的选取

7．3．3 地上结构与地下室之间连接处理

7．3．4 土体材料非线性的模拟

7．3．5 钢筋混凝土材料的模拟

7．3．6 短桩基础、筏板、地下室外墙与土体之间的接触非线性模拟

7．4 模态分析

7．4．1 整体建模

7．4．2 模态分析

7．5 输入地震波

7．5．1 标准反应谱与初选波

7．5．2 终选天然波

7．5．3 人工波

7．5．4 持时调整

7．5．5 地震波输入方向的确定

7．6 自由场非线性水平地震反应分析

7．6．1 引言

7．6．2 阻尼的设定

7．6．3 不同地震动输入的影响

7．7 高层结构-短桩基础-地基体系非线性水平地震反应分析(地下结构部分)

7．7．1 地下结构的加速度反应分析

7．7．2 地下结构的位移反应分析

7．7．3 地下结构的内力反应分析

7．8 高层结构-短桩基础-地基体系非线性水平地震反应分析(上部结构部分)

7．8．1 上部结构的加速度反应分析

7．8．2 上部结构的位移反应分析

7．8．3 上部结构的内力反应分析

7．9 影响因素分析

7．9．1 桩端持力层对结构地震反应的影响

7．9．2 地下室侧面土体对结构地震反应的影响

7．9．3 短桩-筏板-地下室-高层结构体系对周围土体地震反应的影响

7．10 抗震性能分析

7．10．1 上部结构位移反应评估

7．10．2 桩顶位移反应评估

7．10．3 桩身抗拉裂性能评估

7．10．4 桩身抗剪切性能评估

7．11 本章小结

8．1 主要结论

8．2 研究展望

参考文献

附录

致谢

攻读博士学位期间参加的科研项目及科研成果