特殊地形上结构非线性地震反应的研究

摘要

随着经济建设的快速发展,天津市提出了对海河两岸进行开发规划,规划中大量建筑物和地下工程将沿河而建.在地震作用下,这些地下工程及河流的存在将使附近建筑物的动力反应受到影响,对其进行研究将具有十分重要的理论和实际工程意义,为此本文结合天津市海河两岸实际情况,主要做了以下几个方面的研究工作: (1)确定了适合本文相互作用动力分析的土体、结构弹塑性本构模型,推导了土体、结构的弹塑性矩阵表达式和流体有限元矩阵的表达式,构建了特殊地形上土-结构相互作用体系的弹塑性整体有限元模型,确定了有限元网格划分的大小和动力时程分析的解决方案,在ANSYS中成功实现了粘弹性边界的模拟和重力的引入. (2)研究了河流对周围场地地震反应特性的影响和地层中间带有软、硬夹层对场地地震反应的影响.结果表明河流的存在使周围场地地表地震反应比一般自由场时有所增大,河流越深这一现象越明显；软夹层的存在使一般自由场和有河流场地地表位移反应增大,土体剪应力减小,软夹层处土体位移发生突变；而硬夹层对场地动力反应的影响程度很小. (3)分析了地震作用下河流对不同场地类型、不同土层分布、不同基础形式的相互作用体系动力反应的影响,结果表明,建筑物距河流越近,地震作用下体系的顶层总位移、基底平动和摆动越大；弹塑性分析时结构顶层总位移、基础的平动和摆动都发生了向河流一侧不可恢复的偏移,当土体中存在软弱夹层时,偏移现象更明显；浅基础体系偏移大于深基础,并导致上部结构受力不对称. (4)通过分析建筑物正下方不同宽度隧道对其地震反应的影响和隧道对不同基础形式建筑物地震反应的影响发现,隧道在建筑物正下方时,随着隧道宽度增加,上部结构顶层总位移反应增大；隧道紧靠建筑物一侧且基础埋深较浅时,上部结构易发生向无隧道一侧的不可恢复偏移,并导致上部结构受力不对称,而深基础相互作用体系未发生明显偏移. (5)在特殊地形上进行土一结构动力相互作用的实际工程分析时,为缩小计算规模,运用了分支模态二步分析法,事实表明该方法能很好地与现有广泛流行的结构设计软件相结合,为工程设计考虑相互作用影响提供了有效途径.

目录

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第一章绪论

1.1选题背景及意义

1.2场地动力反应特性研究的发展

1.3土—结构相互作用研究的发展

1.3.1发展过程

1.3.2研究方法

1.4本文的主要研究内容

第二章弹塑性分析本构模型及动力方程的求解方法

2.1引言

2.2弹塑性理论

2.2.1屈服准则

2.2.2硬化准则

2.2.3流动准则

2.2.4本构方程

2.3土体弹塑性本构模型和单元模拟

2.3.1土体的弹塑性本构模型

2.3.2土体单元模拟

2.4结构弹塑性本构模型和单元模拟

2.4.1结构弹塑性本构模型

2.4.2结构单元模拟

2.5流体运动的控制方程

2.6有限元分析步骤及动力方程的求解

2.6.1有限元法及分析步骤

2.6.2线性动力方程求解方法

2.6.3非线性动力方程求解方法

2.7结构自振特性计算

2.8动力分析中阻尼的确定

2.9地震波的选择与调整

2.9.1地震波的选择

2.9.2地震波的调整

2.10本章小结

第三章动力分析中场地土体域的模拟

3.1引言

3.2地基土体边界模拟

3.2.1弹性土体边界模拟

3.2.2弹塑性土体边界模拟

3.3单元网格划分

3.3.1弹性土体单元网格划分

3.3.2弹塑性土体单元网格划分

3.4重力的考虑

3.5本章小结

第四章场地地震反应特性研究

4.1引言

4.2河流对场地地震反应特性的影响

4.2.1分析模型

4.2.2河流对场地地表加速度反应的影响

4.2.3河流对场地地表位移反应的影响

4.3软夹层对有、无河流场地地震反应特性的影响

4.3.1软夹层对一般自由场地震反应特性的影响

4.3.2软夹层对河流—土体系地震反应特性的影响

4.4硬夹层对有、无河流场地地震反应特性的影响

4.4.1硬夹层对一般自由场地震反应特性影响

4.4.2硬夹层对河流—土体系地震反应特性的影响

4.5本章小结

第五章结构—基础—土—河流相互作用地震反应分析

5.1河流对不同均质地基土上建筑物的弹性地震反应影响

5.1.1动力分析模型

5.1.2动力计算结果

5.1.3结果分析

5.2河流对不同均质地基土上建筑物的弹塑性地震反应影响

5.2.1动力分析模型

5.2.2动力计算结果与分析

5.3河流对均质地基中含有软夹层的建筑物弹塑性地震反应影响

5.4河流对成层中软土地基上建筑物的弹塑性地震反应影响

5.4.1动力计算结果

5.4.2结果分析

5.5河流对成层中软土地基上不同基础形式建筑物的弹塑性地震反应影响

5.5.1动力分析模型

5.5.2动力计算与分析

5.6本章小结

第六章结构—基础—土—隧道—河流相互作用地震反应分析

6.1引言

6.2建筑物正下方隧道宽度对建筑物地震反应的影响

6.2.1不同隧道宽度时体系的自振频率

6.2.2不同隧道宽度时上部结构位移反应

6.3侧边隧道对筏片(箱形)基础上建筑物地震反应的影响

6.3.1框架位移

6.3.2框架内力

6.4侧边隧道对桩筏(桩箱)基础上建筑物地震反应的影响

6.4.1分析模型

6.4.2框架位移

6.4.3框架内力

6.4.4桩筏与桩箱基础比较

6.5结构—筏基—土—隧道—河流相互作用地震反应分析

6.5.1框架位移

6.5.2框架内力

6.6结构—桩筏—土—隧道—河流相互作用地震反应分析

6.6.1分析模型

6.6.2框架位移

6.6.3框架内力

6.7本章小结

第七章分支模态二步分析法实用性研究

7.1引言

7.2分支模态法简介

7.3分支模态二步法的基本思想

7.3.1分支d主模态的确定

7.3.2分支u主模态的确定

7.3.3模态综合

7.3.4二步分析法

7.4二步分析法中结构与地基的模拟

7.4.1结构简化模拟

7.4.2地基土体简化模拟

7.5 PKPM软件介绍

7.6分支模态二步分析法具体实施

7.6.1分支模态二步分析法计算步骤

7.6.2工程实例

7.7本章小结

第八章总结

8.1完成的主要工作

8.2主要结论

8.3后续研究工作

参考文献

发表论文情况说明

致 谢