强震作用下桩-土-结构相互作用体系平面非线性分析研究

摘要

大量研究表明,考虑地基-基础-上部结构动力相互作用对结构物的动力特性具有重要的影响,其地震响应将发生显著的变化,对于不同的土层和不同上部结构形式,相互作用体系所表现的受力和变形特点也不相同。传统的抗震设计方法都是假定地基为刚性,当地基刚度很大而上部结构刚度很小时,这种假定在工程精度范围内是合理的,但当建筑物刚度与地基刚度较为接近或相差不大时,这样的假定对上部结构反应将产生较大的误差。带桩基础的多高层结构是工程实践中广泛应用的结构形式,对带桩基础的多高层结构进行桩-土-上部结构地震反应分析方法研究是非常有意义的重要课题。
　　 本文在前人研究成果的基础上,修正了一种新的土体本构模型,并利用ANSYS分析程序对桩-土-结构体系进行强震作用下的有限元数值模拟分析,研究了其地震反应方法及规律,主要内容如下:
　　 (1)首先是整理收集了本课题相关资料,把国内外开展土-结构动力相互作用研究的现状和发展水平一一介绍,归纳概括了桩-土-上部结构动力相互作用的研究方法。
　　 (2)确定土-结构动力相互作用体系有限元分析的解决方案,其中包括建立运动方程,求解非线性动力方程,选取有限元模型分析时采用的单元,地震动的输入方法,划分网格大小,土体边界采用粘弹性人工边界,考虑模型阻尼等。
　　 (3)本文在前人基础上,引入中主应力对土本构模型的影响来修正Drucker-Prager本构模型,实现修正的Drucker-Prager本构模型在ANSYS中的应用,并验证该模型的可行性。
　　 (4)建立桩-土-上部结构相互作用体系二维分析模型。上部结构采用框架、框架-剪力墙和剪力墙三种结构体系,框架结构体系(5层、10层)、框架剪力墙结构体系(10层、20层)和剪力墙结构体系(10层、20层),在Ⅱ,Ⅲ类场地上进行非线性地震反应分析,对结果进行规律性总结和归纳,与现有的抗震规范相比较,得出一些对实际工程设计施工有意义的建议。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 概述

1.2 桩-土-结构动力相互作用的发展及其研究现状

1.2.1 国外发展历史及现状

1.2.2 我国发展历史及现状

1.3 土-结构动力相互作用的研究方法

1.3.1 理论分析法

1.3.2 试验研究方法

1.4 本文研究的主要内容

第2章 桩－土－结构非线性动力分析的有限元方法研究

2.1 概述

2.2 有限元法基本原理

2.2.1 单元分析

2.2.2 整体分析

2.3 材料非线性有限元法

2.3.1 概述

2.3.2 本构模型的研究

2.3.3 土体弹塑性本构模型

2.3.4 上部结构弹塑性本构模型

2.4 整体分析模型

2.5 动力方程的求解

2.5.1 动力方程及计算方法

2.5.2 非线性动力方程组求解方法

2.5.3 单元网格的划分

2.6 本章小结

第3章 修正的Drucker-Prager模型研究

3.1 概述

3.2 弹塑性理论

3.2.1 屈服准则

3.2.2 硬化准则

3.2.3 流动准则

3.2.4 土体弹塑性本构方程

3.2.5 传统的Drucker-Prager模型

3.3 本文修正的Drueker-Prager模型

3.3.1 修正的Mohr-Coulomb屈服准则

3.3.2 传统的Drueker-Prager系列屈服准则：

3.3.3 修正的Drucker-Prager模型的等面积变换

3.3.4 修正的Drueker-Prager模型与传统的Drucker-Prager模型之间的关系

3.4 数值计算与分析

3.5 本章小结

第4章 强震作用下桩－土－上部结构非线性反应分析

4.1 概述

4.2 分析模型及相关参数的确定

4.2.1 桩－土－上部结构非线性动力相互作用中采用的单元

4.2.2 分析模型

4.2.3 框架－剪力墙模型

4.2.4 剪力墙模型

4.2.5 地基土参数

4.2.6 输入地震动

4.2.7 接触模拟的实现

4.3 桩－土－框架结构相互作用分析

4.3.1 体系的基本频率和瑞雷阻尼系数的计算

4.3.2 计算结构分析

4.4 桩－土－框架剪力墙结构相互作用分析

4.4.1 相互作用导致结构层闻位移的变化

4.4.2 相互作用导致荷载分担比的变化

4.5 桩－土－剪力墙结构相互作用分析

4.5.1 相互作用导致墙肢轴力的变化

4.5.2 相互作用导致墙肢剪力的变化

4.5.3 相互作用导致结构层间位移的变化

结论

参考文献

致谢