土—箱基—框架結(jié)構(gòu)動力相互作用的試驗研究與理論分析.pdf

1、地基一基礎(chǔ)一上部結(jié)構(gòu)動力相互作用問題的研究對正確預(yù)測結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)具有十分重要的意義，也是近二、三十年來地震工程研究領(lǐng)域中的熱點和難點課題之一。目前大量的理論分析和研究表明，在地基土質(zhì)較軟的情況下，地基一基礎(chǔ)一上部結(jié)構(gòu)動力相互作用對結(jié)構(gòu)物的動力特性具有十分重要的影響，其地震響應(yīng)將發(fā)生顯著的變化，我國現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2001)對高層建筑在考慮地基一基礎(chǔ)一上部結(jié)構(gòu)共同作用下的結(jié)構(gòu)設(shè)計也作了一定解釋。但許多理論研究

2、結(jié)果由于缺乏試驗驗證難以指導(dǎo)實際工程設(shè)計。 本文針對上述現(xiàn)象，設(shè)計實現(xiàn)了土一箱基一框架結(jié)構(gòu)動力相互作用體系的野外現(xiàn)場大比例(1/2)試驗?zāi)Ｐ?。該試驗?zāi)Ｐ徒ㄔ谡鎸崯o限域場地土上，避免了截斷人工土層帶來的試驗誤差，同時上部結(jié)構(gòu)采用7層12m高的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，避免了常規(guī)小比例模型由于難以滿足相似關(guān)系而不能作定量研究的缺點。該大比例模型試驗是目前國際上最大比例的框架結(jié)構(gòu)與地基動力相互作用模型試驗。 在野外大比例模型試驗的基

3、礎(chǔ)上，本文工作將圍繞地基一基礎(chǔ)一上部結(jié)構(gòu)共同作用這一課題作進(jìn)一步探討，側(cè)重于水平地震作用下成層地基中的箱基一建筑物的動力相互作用特性研究，通過理論分析和試驗研究，認(rèn)識地基一基礎(chǔ)一上部結(jié)構(gòu)動力相互作用機理，為實踐應(yīng)用提供指導(dǎo)，亦為考慮層狀土一箱基一上部結(jié)構(gòu)動力相互作用的抗震設(shè)計提供一定的理論依據(jù)和設(shè)計建議。本文共分為六章，分別做了如下工作： 1、通過對大量相關(guān)文獻(xiàn)的概括總結(jié)，評述了國內(nèi)外開展土一結(jié)構(gòu)動力相互作用研究的現(xiàn)狀與發(fā)展水平

4、，對地基一樁一上部結(jié)構(gòu)動力相互作用的方法進(jìn)行了歸納總結(jié)，分析了已有研究工作成果的局限性及優(yōu)缺點，提出了本文針對箱基上下部結(jié)構(gòu)體系所采用的理論和試驗研究途徑以及基本框架思路。 2、完成了野外大比例(1／2)土一箱基一框架結(jié)構(gòu)動力相互作用的試驗研究，試驗內(nèi)容包括上部結(jié)構(gòu)空載、半載和滿載三種工況下的結(jié)構(gòu)脈動、牽引、頂部激振和爆破震動試驗以及上部結(jié)構(gòu)滿載情況下箱基半開挖和全開挖工況下的結(jié)構(gòu)脈動、牽引和頂部激振試驗。獲取了一系列有價值的寶

5、貴試驗數(shù)據(jù)，并通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，探討了相互作用對體系動力特性以及動力反應(yīng)的影響。 3、對模型試驗的層狀場地土分別通過現(xiàn)場下孔法剪切波速試驗和室內(nèi)循環(huán)單剪試驗進(jìn)行了動力特性對比試驗研究。首次運用最新引進(jìn)國內(nèi)唯一的循環(huán)單剪系統(tǒng)，對場地內(nèi)各層土分別進(jìn)行循環(huán)單剪試驗，確定了場地各土層的動力特性指標(biāo)?，F(xiàn)場剪切波速試驗計算得到的各土層的最大動剪切模量Gdmax值與實驗室循環(huán)單剪試驗得到的相應(yīng)Gdmax值比較接近，說明現(xiàn)場試驗和實驗室試驗

6、得到的動剪模量值均比較可信，兩者可以互相驗證。 4、根據(jù)散射外行波的傳播特征，推導(dǎo)了考慮外行波振幅衰減特性的衰減波多次透射公式(MTF)，并研究了相應(yīng)的人工邊界反射系數(shù)和衰減波多次透射人工邊界(包括二維和三維情況下的衰減波多次透射人工邊界)。在前人工作的基礎(chǔ)上歸納并推導(dǎo)了二維和三維粘彈性人工邊界的邊界人工元件系數(shù)計算公式。最后通過對有限元程序ANSYS進(jìn)行二次開發(fā)，成功編制程序包將多次透射人工邊界以及粘彈性人工邊界嵌入ANSYS

7、主程序中。通過典型算例將衰減波多次透射人工邊界和無衰波多次透射人工邊界以及目前應(yīng)用較廣的粘彈性人工邊界進(jìn)行對比分析，驗證了衰減波多次透射人工邊界的邊界反射系數(shù)小于無衰波多次透射邊界和粘彈性人工邊界的邊界反射系數(shù)；同時多次透射人工邊界在精度和靈活程度上優(yōu)于粘彈性人工邊界。 5、以大比例模型試驗為基礎(chǔ)，利用通用有限元程序ANSYS，針對野外試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行三維有限元分析，在ANSYS程序中建立了計算模型，提出了一套用ANSYS程序進(jìn)行相

8、互作用研究的計算分析方法。通過對有限元程序ANSYS進(jìn)行二次開發(fā)，成功編制程序包將土體等效非線性本構(gòu)模型嵌入ANSYS主程序中，最后通過與試驗結(jié)果的對比研究驗證了計算模型的合理性。在此基礎(chǔ)上，分別研究了地震波強度以及頻譜特性對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響，總結(jié)了相互作用體系的一些規(guī)律。同時還研究了土層結(jié)構(gòu)不同、場地土土性不同、基礎(chǔ)周圍回填土深度變化、上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量不同以及上部結(jié)構(gòu)剛度不同對相互作用體系地震反應(yīng)的影響，得到了一些有益的結(jié)論。在計算建模

9、時著重土體材料非線性模擬、土體截斷處人工邊界的模擬等問題。 6、在前述研究的基礎(chǔ)上，通過對有限元計算模型進(jìn)行擴展，研究了兩棟以及三棟相鄰建筑物之間的動力相互作用對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響?？紤]了相鄰建筑物間結(jié)構(gòu)動力特性不同、距離遠(yuǎn)近、基礎(chǔ)周圍回填土性不同對彼此之間相互作用的影響，并對規(guī)律性結(jié)果進(jìn)行了歸納總結(jié)。 7、通過頂部激振試驗，利用公式反演的方法計算得到了基礎(chǔ)動力阻抗，并且通過對箱形基礎(chǔ)周圍回填土進(jìn)行開挖，得到了不同基礎(chǔ)側(cè)