层状场域内上、下部结构动力相互作用的输入地震动问题研究

摘要

长期以来,建筑结构抗震设计中的地震反应分析多采用刚性地基假定,计算模型常仅考虑上部结构,输入地震动采用自由场地表的地震动时程.对于高层建筑结构,因体量庞大、质量巨大,如果建造于非基岩上,其上、下部结构动力相互作用将是一个不容忽视的影响因素,则结构的输入地震动也将大大有别于自由场地震动,因此,对高层建筑结构进行地震反应分析时采用的地震动输入需仔细讨论. 本文围绕层状场域内上、下部结构动力相互作用的地震动输入问题,针对目前普遍采用的将地基、基础与上部结构整体建模进行地震动时程分析的整体法,指出了其地基底部的地震动输入仍采用地面地震动时程的不合理性,提出应该采用与地基选取深度相对应的地层深处的地震动时程,并对此开展研究工作,力求在进行高层建筑结构地震反应分析时的地震动输入更加符合实际情况,减小因地震动输入的不合理而带来的计算误差. 研究得到的主要结论和成果有: 1.选用具有均匀分布的随机相角余弦函数的线性叠加作为数学模型来合成与所需要求符合的地震波,此方法不仅能满足地震波的三要素,而且与现行规范的反应谱相衔接,具有实用性,本文依据相关理论编制了相应的计算程序,并利用该程序生成了拉西瓦水电站坝址区的人工地面地震动时程. 2.在层状场域内,采用线性滞回土层的暂态地震响应理论对地面地震动时程向地层深处进行反演是可行的,本文依据相关理论编制了相应的计算程序,通过SHAKE91程序的频域正演验证和有限元模型的时域正演验证均表明该反演程序的计算结果具有较高精度. 3.反演得到的地层深处的加速度时程与地面的加速度时程相比,幅值有一定程度的降低,频谱特性也有一定的改变,表明场地土层对入射波具有放大和滤波作用. 4.地面地震动时程与地层深处的地震动时程有着明显的差异.

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1选题的背景及意义

1.2研究历史和现状

1.2.1研究历史、现状

1.2.2土—结构动力相互作用概述

1.2.3工程波动理论概述

1.2.4关于地震动输入

1.3本文的研究目的及内容

1.3.1本文的研究目的

1.3.2研究方法及内容

第二章人工合成地面地震波的数值方法

2.1三角级数法

2.1.1三角级数模型

2.1.2由标准反应谱拟合功率谱

2.1.3由功率谱生成幅值谱并合成傅氏谱

2.1.4快速傅立叶转换(FFT)

2.2标准反应谱的合成

2.2.1地震动反应谱定义

2.2.2计算方法

2.3由标准反应谱拟合功率谱

2.4强度包络函数理论

2.5人工生成地震波的校正

2.6程序编写流程

2.7算例

2.8本章小结

第三章地面地震动时程的频域反演

3.1反问题概述

3.1.1反问题的一般描述

3.1.2反问题的适定性

3.1.3结构动力分析中反问题的研究现状

3.2频域本构方程和线性滞回阻尼理论

3.2.1频域本构方程和滞回阻尼比

3.2.2线性滞回阻尼的概念

3.3波的反射与透射

3.3.1分界面上的反射与透射

3.3.2层间波幅系数的转换关系

3.4离散傅立叶变换及土层暂态地震反应的反演

3.4.1离散傅立叶变换和输入波动的分解

3.4.2线性滞回阻尼土层的暂态地震反应的反演

3.5程序流程图

3.6算例分析

3.7基于SHAKE程序的正演验证

3.7.1 SHAKE程序简介及原理

3.7.2 SHAKE91自由场分析结果与地面记录对比分析

3.8本章小结

第四章自由场地震反应分析的有限元模拟

4.1基本动力有限元分析模型

4.1.1运动方程的求解方法及时域有限元法

4.1.2二维成层土体系模型的建立

4.2地震动输入方式

4.3算例分析

4.3.1侧向自由边界并施加竖向约束的土层有限元模型计算

4.3.2侧向粘—弹性边界的土层有限元模型计算

4.3.3侧向远置边界的土层有限元模型计算

4.4本章小结

第五章层状场域内上、下部结构动力分析的输入地震动实例分析

5.1综合算例设计

5.1.1据实际地震记录的反演

5.1.2据人工地震记录的反演

5.1本章小结

第六章结束语

6.1主要研究工作及结论

6.2存在问题及后续工作

致谢

参考文献

附录