土-结构相互作用

摘要： 结构总是修建在一定的场地而形成土-结构相互作用的开放系统。为解决开放体系下悬臂类结构的自振频率、振型和考虑辐射阻尼下模态阻尼比的计算问题,提出了脉冲荷载响应模态分析法。该方法采用直接有限元法建立土-结构相互作用有限元模型,对结构施加脉冲荷载得到结构动力反应后,由模态识别方法计算结构的动力特性。随后,以一个悬臂类五层框架结构为例研究了计算动力特性随土体计算范围变化的规律和脉冲荷载激励点位置对计算结果的影响。在此基础上,讨论了土体材料阻尼对模态阻尼比的影响,并与集总参数模型和直接模态分析法进行对比,说明不同方法的计算精度。计算结果表明,随着土域计算范围的增加,脉冲荷载响应模态分析法所得的动力特性将逐渐收敛到精确解;当土体计算范围大于结构基频所对应的波长的2倍时,结构自振频率的误差小于1%,模态阻尼比的误差小于5%;以非模态节点作为激励点都可以得到比较精确的结果;三参数集总参数模型所得模态阻尼比存在显著误差,直接模态分析法所得模型的基频随土域范围增大而趋向于零;相比于辐射阻尼,土体材料阻尼对结构的各阶模态阻尼比的影响较小。

摘要： 目前结构的抗震分析主要是采用刚性地基假定,忽略了土-结构相互作用,而在实际情况中结构的地震破坏与刚性地基假定的预期结果并不相同。为了对比差异,本文以一6层混凝土框架结构为例,分别进行了Pushover分析和非线性时程分析。结果表明:当考虑土-结构相互作用时,结构的基底剪力减小,周期增大,顶点位移增大且结构的破坏主要集中在首层,柱端出现了塑性铰,更符合实际的震害情况。并将Pushover分析与非线性时程分析的结果进行对比,验证了Pushover分析的可靠性。

摘要： 利用耦合线性弹簧模型模拟桩基础和土体之间的相互作用,基于海上风力机整体结构耦合运动模型开发了可考虑土-结构相互作用的固定式海上风力机结构振动控制程序。选取5-MW单桩基础海上风力机为研究对象,基于不同边界条件样本风机动力反应特性完成了机舱位置调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)参数设计;基于海上风力机结构时频域响应变化规律及控制率揭示了TMD的减振机理及土-结构相互作用对于减振效果的影响。通过对比得出:考虑土-结构相互作用对海上风力机结构调谐质量阻尼器设计至关重要。

摘要： 地震会对核电站安全造成影响。随着核电站的数量越来越多,有必要关注在地震下核电站的安全。核反应堆厂房是核电站重要的组成部分,研究其地震响应对核电站有着重要意义。基于直接法,考虑了3种不同场地(中硬土、软岩、硬岩)在地震下的塑性变形和土的滞回阻尼,使用FLAC3D对土-核反应堆厂房模型系统进行了三维建模。为了捕捉上部结构与下部岩石/土壤之间的分离与滑动,在核反应堆厂房基础与岩石/土壤表面设置接触面单元。上层结构以集总质量模型模拟,同时考虑土-结构相互作用下基岩深度对核反应堆厂房基础地震响应的影响,最终得到核反应堆厂房结构杆件的加速度反应谱、剪力、基础的摇动和基础不均匀沉降以及侧向位移。结果表明:在中硬土场地中,位移、剪切力随基岩深度的增大而减小;在硬岩场地中,位移和剪切力响应的规律呈相反趋势;在软岩场地中,上部结构响应的规律较为复杂。对于基础摇动和基础不均匀沉降,在中硬土场地中,其呈现的规律随基岩深度增大而减小;在软岩和硬岩场地中,并无明显规律。基础不均匀沉降可直接反映结构的破坏情况。中硬土场地下基础不均匀沉降超过容许值,所以基础不均匀沉降对核反应堆厂房的影响不容忽视,这对核电站的安全设计十分重要。

摘要： 建立了异形框架式地铁地下结构的三维计算模型,并对异跨框架式地铁车站结构进行数值模拟.计入土体和混凝土的非线性以及土-结构之间接触非线性的效应,对结构关键部位的应力响应、相对位移以及结构层间位移角等变化规律进行了分析.结果表明,结构框架柱底端应力高于顶端应力,底层框架柱应力值高于顶层框架柱应力值;结构整体在与场地相匹配的地震动载荷下,随着载荷的改变,其层间相对位移变化趋势由单一方向的大变形转变为多个方向的大变形;在纵向的不同截面上,结构的地震响应随着主震频率覆盖范围的增加,会出现明显差异.模拟结果可为异跨框架式地铁车站的抗震设计以及相关结构的抗震性能评价方法提供合理的参考依据.

摘要： 为研究Ⅱ、Ⅲ类场地下土与结构(井塔和井筒)相互作用对井塔抗震分析的影响,采用理论分析和数值分析两种方法,系统研究不考虑土-结构相互作用、Ⅱ类及Ⅲ类场地下考虑土-结构相互作用对井塔地震动力反应的影响,提出并建立体系在时域内的理论运动方程,利用MATLAB语言编制Runge-Kutta法的求解程序,结合有限元软件建立体系的数值分析模型。以某钢筋混凝土剪力墙结构井塔为例,得出Ⅱ、Ⅲ类场地下考虑体系相互作用对井塔地震反应的影响规律。结果表明:建立的理论分析模型与数值分析模型吻合较好,对应理论解与数值解的最大差值为9.8%,验证了彼此的准确性;Ⅱ、Ⅲ类场地下3条地震波地震反应平均放大系数分别为1.8、2.4倍。工程设计中,Ⅱ、Ⅲ类场地下应该考虑土-结构相互作用对井塔抗震分析的影响,并且土体越软,土-结构相互作用对井塔抗震分析的影响越大。

摘要： 通过ABAQUS有限元软件中B31梁单元建立单层柱面网壳常用模型,研究当单层柱面网壳采用四边支承时,在结构跨度方向上简化山墙的作用和考虑山墙作用对常用模型的地震响应影响。通过对比2种模型的位移时程曲线可知:第1种简化山墙作用的模型整体刚度很大,且抗震性能很好,当结构处于强震环境(地震动加速度峰值为1000 gal时)下结构才开始发生明显的屈曲现象;第2种采用抗风柱来替代山墙的模型在地震动加速度峰值为400 gal时就出现了屈曲现象。

摘要： 结构残余位移是抗震性能评估和地震损失评估的重要参数。以往针对结构残余位移的研究主要基于刚性地基假定,而地震作用下基于刚性地基假定和考虑土-结构相互作用效应得到的结构响应存在差异。鉴于此,建立了考虑土-单自由度体系相互作用效应的模型,基于大量分类地震动记录,通过时程分析分别建立基于刚性地基假定和考虑土-结构相互作用(soil-structure interaction,SSI)效应的结构残余位移比谱,研究场地类别、屈服强度系数和高宽比对结构残余位移比谱及其离散性的影响,建立了考虑SSI效应的结构残余位移比谱预测方程。结果表明:存在临界周期点,当周期小于临界值时考虑SSI效应的结构残余位移比谱值小于基于刚性地基假定的结构残余位移比谱值,且SSI效应程度越大结构残余位移比谱越小;当周期大于临界值时,考虑SSI效应和基于刚性地基的结构残余位移比谱差距很小;AB类、C类、D类和E类场地的临界周期分别为0.5 s,0.5 s,0.8 s和1.2 s;基于刚性地基假定的结构残余位移计算结果偏于保守。

摘要： 设计并开展软土地层十字换乘站单向地震大比尺振动台试验:从动力平衡方程出发,提出了基于人工配置模型土的相似设计方法;以土-结构相对刚度比为控制指标,提出采用微粒混凝土和镀锌钢丝模拟车站结构。基于振动台试验,研究了软土地层中二层与中三层的十字型换乘站的结构地震响应特性,并以单体车站为参照试验,揭示了软土地层十字型换乘站结构单向地震响应特征。结果表明:随着地震动增强,土体剪切模量衰减程度增加;受换乘站结构的差异约束作用,近场土体加速度响应存在空间差异现象,幅值整体小于自由场;换乘站交叉节点处地下三层中柱应变显著高于地下一、二层,在抗震设计中应引起重视。

摘要： 合理地选取215条典型近断层地震动记录,并根据我国桥梁抗震设计规范的场地标准进行分类后,统计了适用于我国桥梁抗震设计的近断层地震弹塑性加速度和位移反应谱,并拟合了阻尼比对近断层地震弹塑性反应谱的影响关系式,进而得到近断层地震的弹塑性需求谱.再将其与FEMA440的考虑土-结构相互作用(SSI效应)的方法、Chopra改进能力谱法相结合,完善了近断层地震下适用于我国梁式桥且能考虑SSI效应的能力谱法.最后,将本文方法应用于某梁式桥的抗震性能评估中,结果表明:对于近断层地震下考虑SSI效应的我国梁式桥,FEMA440的计算结果偏于保守,而本文方法的计算结果则较为合理,可以应用于我国梁式桥的抗震性能评估中.

摘要： 为探究火灾后CFRP加固下地铁车站结构的抗震性能,本文以上海某软土场地地铁车站结构为背景,采用有限元方法,分别对未受火情形下地铁车站结构、火灾后CFRP加固情形下地铁车站结构以及未加固情形下地铁车站结构的地震反应进行了对比分析.文中采用ABAQUS软件建立土-地铁车站结构相互作用体系三维有限元模型,利用等效线性化方法考虑土体的非线性,以三条不同类型的地震波作为输入,对上述三种情形下地铁车站结构的位移响应、加速度响应、应力和内力响应进行了计算,分析了火灾后CFRP加固下地铁车站结构的地震反应.结果表明:CFRP加固材料可有效提升结构的刚度,降低侧墙的水平向位移峰值;CFRP加固使结构的应力重分布,能够有效分担加固后结构的内力,提升整体抗震性能.

摘要： 为探究火灾后CFRP加固下地铁车站结构的抗震性能,本文以上海某软土场地地铁车站结构为背景,采用有限元方法,分别对未受火情形下地铁车站结构、火灾后CFRP加固情形下地铁车站结构以及未加固情形下地铁车站结构的地震反应进行了对比分析.文中采用ABAQUS软件建立土-地铁车站结构相互作用体系三维有限元模型,利用等效线性化方法考虑土体的非线性,以三条不同类型的地震波作为输入,对上述三种情形下地铁车站结构的位移响应、加速度响应、应力和内力响应进行了计算,分析了火灾后CFRP加固下地铁车站结构的地震反应.结果表明:CFRP加固材料可有效提升结构的刚度,降低侧墙的水平向位移峰值;CFRP加固使结构的应力重分布,能够有效分担加固后结构的内力,提升整体抗震性能.

摘要： 为探究火灾后CFRP加固下地铁车站结构的抗震性能,本文以上海某软土场地地铁车站结构为背景,采用有限元方法,分别对未受火情形下地铁车站结构、火灾后CFRP加固情形下地铁车站结构以及未加固情形下地铁车站结构的地震反应进行了对比分析.文中采用ABAQUS软件建立土-地铁车站结构相互作用体系三维有限元模型,利用等效线性化方法考虑土体的非线性,以三条不同类型的地震波作为输入,对上述三种情形下地铁车站结构的位移响应、加速度响应、应力和内力响应进行了计算,分析了火灾后CFRP加固下地铁车站结构的地震反应.结果表明:CFRP加固材料可有效提升结构的刚度,降低侧墙的水平向位移峰值;CFRP加固使结构的应力重分布,能够有效分担加固后结构的内力,提升整体抗震性能.

摘要： 为探究火灾后CFRP加固下地铁车站结构的抗震性能,本文以上海某软土场地地铁车站结构为背景,采用有限元方法,分别对未受火情形下地铁车站结构、火灾后CFRP加固情形下地铁车站结构以及未加固情形下地铁车站结构的地震反应进行了对比分析.文中采用ABAQUS软件建立土-地铁车站结构相互作用体系三维有限元模型,利用等效线性化方法考虑土体的非线性,以三条不同类型的地震波作为输入,对上述三种情形下地铁车站结构的位移响应、加速度响应、应力和内力响应进行了计算,分析了火灾后CFRP加固下地铁车站结构的地震反应.结果表明:CFRP加固材料可有效提升结构的刚度,降低侧墙的水平向位移峰值;CFRP加固使结构的应力重分布,能够有效分担加固后结构的内力,提升整体抗震性能.

摘要： 为探究火灾后CFRP加固下地铁车站结构的抗震性能,本文以上海某软土场地地铁车站结构为背景,采用有限元方法,分别对未受火情形下地铁车站结构、火灾后CFRP加固情形下地铁车站结构以及未加固情形下地铁车站结构的地震反应进行了对比分析.文中采用ABAQUS软件建立土-地铁车站结构相互作用体系三维有限元模型,利用等效线性化方法考虑土体的非线性,以三条不同类型的地震波作为输入,对上述三种情形下地铁车站结构的位移响应、加速度响应、应力和内力响应进行了计算,分析了火灾后CFRP加固下地铁车站结构的地震反应.结果表明:CFRP加固材料可有效提升结构的刚度,降低侧墙的水平向位移峰值;CFRP加固使结构的应力重分布,能够有效分担加固后结构的内力,提升整体抗震性能.

摘要： 为实现对地下结构进行非均匀调制演变随机地震响应分析,本文基于非均匀调制演变随机过程,利用频响函数和傅里叶变换原理,推导了数字特征的地下结构响应表达式.在此基础上,以上海某一典型两层三跨地铁车站为例,采用ABAQUS软件建立土-地铁车站结构相互作用体系三维有限元模型,并获取频响函数,对地铁车站结构进行了非均匀调制演变随机地震响应分析,获得了这一地铁车站结构的加速度均方响应和Mises应力均方响应值.与通常的地下结构随机地震响应分析没有考虑地震动的非平稳性或只考虑强度非平稳性相比较,本文建立的分析模型不仅考虑了强度的非平稳性,而且考虑了非平稳性,具有较高的精度.

摘要： 为实现对地下结构进行非均匀调制演变随机地震响应分析,本文基于非均匀调制演变随机过程,利用频响函数和傅里叶变换原理,推导了数字特征的地下结构响应表达式.在此基础上,以上海某一典型两层三跨地铁车站为例,采用ABAQUS软件建立土-地铁车站结构相互作用体系三维有限元模型,并获取频响函数,对地铁车站结构进行了非均匀调制演变随机地震响应分析,获得了这一地铁车站结构的加速度均方响应和Mises应力均方响应值.与通常的地下结构随机地震响应分析没有考虑地震动的非平稳性或只考虑强度非平稳性相比较,本文建立的分析模型不仅考虑了强度的非平稳性,而且考虑了非平稳性,具有较高的精度.

摘要： 为实现对地下结构进行非均匀调制演变随机地震响应分析,本文基于非均匀调制演变随机过程,利用频响函数和傅里叶变换原理,推导了数字特征的地下结构响应表达式.在此基础上,以上海某一典型两层三跨地铁车站为例,采用ABAQUS软件建立土-地铁车站结构相互作用体系三维有限元模型,并获取频响函数,对地铁车站结构进行了非均匀调制演变随机地震响应分析,获得了这一地铁车站结构的加速度均方响应和Mises应力均方响应值.与通常的地下结构随机地震响应分析没有考虑地震动的非平稳性或只考虑强度非平稳性相比较,本文建立的分析模型不仅考虑了强度的非平稳性,而且考虑了非平稳性,具有较高的精度.

摘要： 为实现对地下结构进行非均匀调制演变随机地震响应分析,本文基于非均匀调制演变随机过程,利用频响函数和傅里叶变换原理,推导了数字特征的地下结构响应表达式.在此基础上,以上海某一典型两层三跨地铁车站为例,采用ABAQUS软件建立土-地铁车站结构相互作用体系三维有限元模型,并获取频响函数,对地铁车站结构进行了非均匀调制演变随机地震响应分析,获得了这一地铁车站结构的加速度均方响应和Mises应力均方响应值.与通常的地下结构随机地震响应分析没有考虑地震动的非平稳性或只考虑强度非平稳性相比较,本文建立的分析模型不仅考虑了强度的非平稳性,而且考虑了非平稳性,具有较高的精度.

摘要： 本文提出了适用于地下车库结构的地震易损性评价指标,在此基础上对地下车库结构进行基于增量动力分析的地震易损性分析.结果表明,当结构遭遇7度罕遇地震时,结构能够保证完全可用的概率约为30％,结构能够保证基本可用的概率约为95％;同时本文对附带上部框架结构的地下车库土-结构相互作用体系进行增量动力地震易损性分析,在使用了本文提出的易损性评价指标的基础上,得到了地上结构和地下车库结构的地震易损性曲线.结果表明,当结构遭遇7度罕遇地震时,地下车库结构能够保证完全可用性能水准的概率约为15％,能够保证基本可用性能水准的概率约为85％.由于上部框架结构的影响,地下车库结构达到完全可用和基本可用性能水准的概率分别降低了约15％和10％.

摘要： 本发明公开了基于土‑结构‑消能减震装置相互作用的子结构试验方法，包括以下步骤：选取地震动，建立土‑结构分析子结构模型，获得质量、刚度、阻尼矩阵；获取分析子结构的初始加速度向量和不同时刻的相对位移和速度；获得消能减震装置与结构界面处的绝对位移；测得消能减震装置与振动台界面处界面力；获得分析子结构对应时刻的加速度向量。本发明通过建立土‑结构相互作用的分析子结构模型，结合实际的振动台与消能减震装置相互作用试验，建立了考虑土‑结构‑消能减震装置三者之间相互作用的试验方法，从而能够更真实、更准确的反映地震作用下实际的土‑结构‑消能减震装置体系的相互作用，为建筑结构的抗震研究提供新思路。

摘要： 本发明一种考虑土与结构相互作用的结构动力试验激振装置，包括振动台装置及激振装置，振动台装置包括土台及试验模型，土台的四周采用薄钢板支护，土台相对面通过拉索和锚板拉结加固，土台的上方设置振动信号采集传感器，激振装置包括摆锤支架、击打装置，起吊机组。本发明具有激振灵活，持续时间长的优点，能产生较大的水平振动，对周围建筑物的影响小，能够对模型进行整体冲击，能产生低频振动波，可以考虑土与结构的相互作用，更接近地震破坏的实际情况，造价非常低廉，运行费用和维护费用低，可以建造更大的尺寸，承载能力大大提高，满足大尺寸模型的振动试验需要。

摘要： 本发明公开了一种用于地下结构的拟静力推覆试验装置及方法，包括底板、水平加载系统、竖向加载系统、相互作用系统及地下结构模型。水平加载系统由反力墙、水平作动器及水平均载钢梁组成，竖向加载系统由顶部反力钢梁、竖向作动器及竖向均载钢梁组成，相互作用系统由底反力板、弹簧及反力钢架组成。将模型结构置于底反力板上，模型结构与底反力板及反力钢架之间设置弹簧，在模型结构顶部通过竖向作动器及均载钢梁施加竖向力，通过水平加载系统对结构沿高度施加某种分布的单调递增强制水平位移，直至地下结构发生破坏。本发明可通过弹簧在地下结构拟静力试验中模拟土‑结构相互作用，具有经济性好、缩尺比大、便于观察试验现象等优点。

摘要： 本发明公开了基于土‑结构‑消能减震装置相互作用的子结构试验方法，包括以下步骤：选取地震动，建立土‑结构分析子结构模型，获得质量、刚度、阻尼矩阵；获取分析子结构的初始加速度向量和不同时刻的相对位移和速度；获得消能减震装置与结构界面处的绝对位移；测得消能减震装置与振动台界面处界面力；获得分析子结构对应时刻的加速度向量。本发明通过建立土‑结构相互作用的分析子结构模型，结合实际的振动台与消能减震装置相互作用试验，建立了考虑土‑结构‑消能减震装置三者之间相互作用的试验方法，从而能够更真实、更准确的反映地震作用下实际的土‑结构‑消能减震装置体系的相互作用，为建筑结构的抗震研究提供新思路。

摘要： 本发明涉及一种局部非线性地基土‑结构相互作用子结构试验方法，包括：将地基土‑结构相互作用体系中的上部结构作为试验子结构，将下部地基土作为数值子结构，其中试验子结构由振动台加载控制，数值子结构由仿真软件模拟；数值子结构即地基土中考虑其局部非线性的影响，采用可编程仿真软件建立相应的仿真模型；上部结构的试验子结构与下部地基土的数值子结构之间，每一步振动台试验数据与仿真软件计算数据交互传递直到试验结束为止。本发明能够保证计算精度的前提下高效完成实时子结构试验，准确的反应非线性地基土对上部结构抗震性能的影响。

摘要： 本发明一种考虑土与结构相互作用的结构动力试验激振装置，包括振动台装置及激振装置，振动台装置包括土台及试验模型，土台的四周采用薄钢板支护，土台相对面通过拉索和锚板拉结加固，土台的上方设置振动信号采集传感器，激振装置包括摆锤支架、击打装置，起吊机组。本发明具有激振灵活，持续时间长的优点，能产生较大的水平振动，对周围建筑物的影响小，能够对模型进行整体冲击，能产生低频振动波，可以考虑土与结构的相互作用，更接近地震破坏的实际情况，造价非常低廉，运行费用和维护费用低，可以建造更大的尺寸，承载能力大大提高，满足大尺寸模型的振动试验需要。

摘要： 土与支护结构相互作用的深基坑支护结构，包括设置在基坑侧的竖向支护桩和夹设在竖向支护桩之间的水平向板桩以及支护桩之间的喷射混凝土面层，所述竖向支护桩与水平向板桩通过围檩固接，固接后的竖向支护桩之间设喷射混凝土面层。本发明利用覆压在水平板桩上面的土重竖向力作为支护结构抗倾覆稳定的抗力，支护结构型式简单，施工方便，水平向板桩可回收重复使用。本发明提高了施工效率、可靠性高、工程应用成本低。

摘要： 本发明提出一种基于土‑结构相互作用的变压器抗震试验装置及方法，包括多层规则平面框架、活动连接件和支撑件；所述多层规则平面框架由下至上叠合在一起；所述多层规则平面框架中相邻两层之间通过活动连接件连接；所述支撑件设置于所述多层规则平面框架的立面上；被测的试件放置于所述多层规则平面框架内；所述多层规则平面框架设置于振动台上。本发明将被测试件放置于设置在振动台上的多层规则平面框架内，对振动台施加设定的地震波，从而得到考虑土‑结构相互作用时变压器类设备在地震作用下的动力响应，为实际工程及相关设计提供指导。

摘要： 本发明公开了一种模拟土‑桩‑承台‑上部结构相互作用的风洞模型装置。模型外框架通过基座与风洞底盘相连，在竖直方向上，刚性质量块通过压弹簧与模型外框架相连，并通过圆台固定位置，水平方向上，刚性质量块通过挂钩、拉弹簧和挂钩板与模型外框架相连，刚性质量块通过承台承载上部结构，盖板位于模型外框架之上并固定于风洞地面，盖板上表面与风洞地面齐平，挂钩数目、圆台数目以及拉、压弹簧刚度通过有限元和缩尺理论计算获得。本发明可实现建筑风洞中建/构筑物下部结构如土‑桩‑承台的模型模拟，实现建筑风洞中土‑桩‑承台‑上部结构相互作用的研究。

摘要： 土与支护结构相互作用的深基坑支护结构，包括设置在基坑侧的竖向支护桩和夹设在竖向支护桩之间的水平向板桩以及支护桩之间的喷射混凝土面层，所述竖向支护桩与水平向板桩通过围檩固接，固接后的竖向支护桩之间设喷射混凝土面层。本实用新型利用覆压在水平板桩上面的土重竖向力作为支护结构抗倾覆稳定的抗力，支护结构型式简单，施工方便，水平向板桩可回收重复使用。本实用新型提高了施工效率、可靠性高、工程应用成本低。