风致高层建筑地基破坏模式研究

摘要

风灾是较为常见的自然灾害。风荷载是高层建筑设计的控制荷载之一。土-结构动力相互作用是当前土木工程领域的前沿研究课题之一。目前在高层建筑结构设计的计算分析阶段一般不考虑土-结构相互作用。风荷载作用下土-结构动力相互作用的研究成果较少。因此,有必要对高层建筑考虑风和土-结构动力相互作用进行系统研究。其需要解决的主要问题有:外部风荷载的模拟与作用;土-结构之间的接触;无限土体的处理;地基的稳定性。针对以上几个问题,本文综述了风工程、土-结构动力相互作用和土体稳定性等问题的国内外研究现状。在此基础上,做了以下主要工作:
　　1.针对高层建筑风荷载作用,对湍流风基本假定作了论述。阐述了风的特性。介绍了脉动风速模拟常用的方法。根据不同的方法,编制程序模拟脉动风荷载。结果表明,谐波叠加法模拟结果精度较高,并能考虑脉动风速的空间相关性。然后,应用谐波叠加法考虑平均风速随高度变化以及脉动风速的空间相关性,编制了模拟空间多点风速的程序。
　　2.利用一般无限单元和等效阻尼构建等效动力无限元模拟无限土体。讨论了4节点等效动力无限单元的构建过程,对单元的刚度矩阵和阻尼矩阵作了推导。讨论了等效动力无限单元的初始应力场和非线性问题。将等效动力无限元连接到标准ANSYS程序中,应用二维等效动力无限元模拟无限域,分析一维波动问题、Lamb问题以及Rayleigh波等问题。结果表明,等效动力无限元既考虑了介质的弹性恢复作用,又保证了波在人工边界处的传播特性与介质连续一致。用等效动力无限单元模拟无限土体是合理的有效的。
　　3.分析土-结构动力相互作用接触面上的接触条件和接触状态,分别建立法向和切向接触单元。叠加切向接触单元和法向接触单元模拟动力问题中土-结构的接触。分析在不同水平加速度作用下接触非线性对土-结构动力相互作用的影响。结果表明,叠加切向接触单元和法向接触单元的方法可以有效模拟土-结构动力相互作用的接触非线性,进行土-结构动力分析应考虑接触非线性作用的影响。
　　4.建立完整的土-结构分析体系,分析高层建筑地基在风荷载作用下的破坏模式。结果表明,风荷载作用下的破坏模式与传统的地基破坏模式并不完全相同。静风荷载作用下高层建筑地基的破坏模式与动风荷载作用下的破坏模式也不相同。静风荷载作用下,地基的破坏为局部破坏和冲切破坏。动风荷载作用下,地基的破坏为整体破坏和混合破坏。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 发展概况

1.3 主要研究内容

第2章 高层建筑土-结构相互作用模型

2.1 引言

2.2 风的特性与脉动风速模拟

2.3 非线性问题

2.4 上部结构模型

2.5 基础形式

2.6 网格精度

2.7 土体的本构关系

2.8 强度折减法

2.9 土的弹性模量确定方法

2.10 本章小结

第3章 无限土体模拟

3.1 引言

3.2 二维等效动力无限元

3.3 关于初始应力和非线性问题

3.4 数值算例

3.5 本章小结

第4章 接触非线性对土-结构动力相互作用的影响

4.1 引言

4.2 土-结构接触条件和接触状态

4.3 接触单元

4.4 数值计算

4.5 本章小结

第5章 地基破坏模式

5.1 引言

5.2 有限元模型

5.3 静风荷载作用下高层地基破坏的机理

5.4 动风荷载作用下高层建筑地基破坏机理

5.5 承载力提高措施

5.6 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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