考虑土−结构相互作用的地下室层对高层建筑地震反应影响研究

当前建筑抗震设计中往往忽略了地下室层及土−结构相互作用(soil-structure interaction,简称SSI)效应的影响,研究旨在通过振动台试验和数值模拟,研究考虑SSI效应时不同地下室层数的高层建筑在不同地震作用下的地震反应。首先选择相似系数λ(λ=1:50)进行缩尺模型的振动台试验,以模拟真实建筑的地震反应。为了模拟复杂的结构系统,利用PLAXIS 3D对有无SSI效应的缩尺模型和真实模型分别进行了数值模拟。试验和数值模拟的结果取得了很好的精确度并具有良好的一致性,同时也验证了所选相似系数λ=1:50足以反映不同地震作用下建筑的真实情况。通过对试验和数值模拟的结果进行分析,发现SSI效应和地下室对高层建筑的地震反应的影响显著。虽然目前大多数规范都认为SSI效应会减小建筑的剪力,增加相对侧向位移,但研究发现,在某些情况下SSI效应会增加建筑的剪力和相对侧向位移。

斜入射地震波下单层球面网壳土-结构相互作用及其地震响应分析

为分析斜入射地震波下单层球面网壳土-结构相互作用及其地震响应,采用等效节点力实现地震波输入,通过黏弹性人工边界处理无穷远辐射条件,分析了地震波类型、土体参数、入射角度等因素对单层球面网壳结构的土-结构相互作用及其地震响应影响。结果表明:单层球面网壳结构在地震波入射一侧出现翘起,网壳总体沿入射方向发生旋转,当P波斜入射时支座位移差最大达0.514 m,为网壳跨度的1/250。当P波斜入射时,软弱土情况下网壳顶点位移比中硬土和中软土大,顶点位移随入射角增大呈现先增大后减小的趋势;当SV波入射时,中软土情况下网壳顶点位移比中硬土和软弱土大,顶点位移随入射角增大而增大。斜入射地震波下,考虑土-结构相互作用后网壳顶点位移增幅最大达5.5倍,网壳外圈位移增幅大于网壳跨中增幅。

考虑桩-土相互作用的超大型单桩式海上风机结构地震响应

为了解决桩-土相互作用对超大型单桩式海上风机结构地震响应影响的问题,基于IEA 15 MW的固定式单桩海上风机原型,使用Abaqus建立考虑桩-土相互作用与泥面固定2种风机结构模型,桩-土相互作用通过一组非线性弹簧模拟。考虑风-波浪与地震联合作用,分析桩-土相互作用对超大型固定式单桩海上风机结构动力响应的影响。结果表明:针对超大型海上风机,桩-土相互作用效应使风机支撑结构的特征频率降低3%~6%;考虑桩-土相互作用的大兆瓦风机动力响应远大于泥面固定风机模型的动力响应;海上风机尺寸越大,桩-土相互作用引起的海上风机结构动力响应偏差越显著。

考虑土-结构相互作用的大跨度空间结构抗震研究进展

考虑土-结构相互作用(SSI)的大跨度空间结构抗震研究对于实现大跨度空间结构精确化分析,保障结构抗震安全性具有重要意义。为了更好地应用已有大跨空间结构考虑土-结构相互作用的研究成果,分别对土-结构相互作用研究分析方法、框架结构SSI效应影响分析、地下-土-地上结构相互作用研究现状、大跨度空间结构与下部支承体系协同工作及考虑SSI对大跨度空间结构动力性能的影响等方面的研究成果进行了梳理。结果表明:已有土-结构相互作用分析方法及计算模型对于大跨度空间结构的适用性有待商榷;框架结构SSI效应和大跨度空间结构与下部支承体系协同工作的研究相对成熟,其成果可供借鉴;带有大型复杂地下结构的大跨空间结构SSI效应显著;现有研究多以数值模拟为主,试验技术的发展对大跨空间结构土-结构相互作用抗震理论的验证至关重要;未来需要进一步研究实用的简化计算模型及分析方法、地下结构-土-大跨度空间结构体系、强震失效倒塌机理及减隔震研究、试验研究、参数分析、复杂效应耦合等。

考虑水-结构-土相互作用的桥墩自振频率半解析解

建立考虑水-结构-土相互作用的桥墩结构自振频率半解析解,并通过实测数据进行验证。以单个桥墩为研究对象,将“桥墩-承台-桩基”结构体系简化为Bernoulli-Euler梁,采用附加质量模型模拟水-结构相互作用,采用弹性Winkler地基模型模拟桩-土相互作用,建立考虑水-结构-土相互作用的桥墩结构振动控制方程。使用分离变量法得到结构振型函数,根据边界条件建立矩阵方程,通过求解方程的特征值得到结构自振频率。以福州浦上大桥E11桥墩为例,将海底地震仪(ocean bottom seismometer,OBS)核心地震计安装在承台处,采集桥墩的振动响应并提取结构自振频率。同步安装陆地地震仪验证OBS水下监测的有效性,通过对比半解析解、有限元解和实测值验证桥墩结构半解析解的合理性。在此基础上,分析土-结构相互作用、水-结构相互作用对结构自振频率的影响。结果表明,OBS能够满足桥墩自振频率水下测试的环境要求;建立的考虑水-结构-土相互作用的桥墩结构自振频率半解析解合理;土-结构、水-结构相互作用会降低结构的一阶自振频率,其中土-结构相互作用的影响比水-结构相互作用更显著。

考虑土-结构相互作用永祚寺文峰塔地震响应分析

为研究土-结构相互作用对古塔地震响应的影响,借助ABAQUS有限元软件通过对地基土施加黏弹性边界,建立了不考虑土-结构相互作用(soil-structure interaction, SSI)效应、SSI效应下不考虑基础与地基土分离滑移与SSI效应下考虑分离滑移三种模型,通过时程分析法对比分析了SSI效应对山西省永祚寺文峰塔动力特性与破坏形态及损伤的影响。结果表明:考虑SSI效应后古塔高阶自振频率显著降低,其水平位移与层间位移角将总体增大,水平加速度放大系数呈下降趋势,塔下层损伤明显加剧且上层损伤有所降低,基础损伤明显;在设防地震作用下基础与地基土分离滑移现象加剧,有将沿中和轴破坏的风险,底层塔檐为薄弱部分,且基础的损伤不容忽视。分析结果对于预测高层密檐塔损伤破坏具有参考作用。

土-地下结构的非线性动力相互作用——理论及应用

基于土-结构动力相互作用理论,阐述了土-地下结构非线性动力相互作用的基本原理及其建模方法。根据这一方法,对1995年日本阪神地震中震害最为严重的大开地铁车站进行了成灾机理有限元数值模拟分析。分析结果表明:在地震动作用下,车站结构顶板与侧墙的交叉部位,和中柱的顶底端首先发生弯曲破坏而形成塑性铰,使得顶板上覆土的大部分重量传递到由中柱来承担;在由顶板破坏后传来的上覆土重力和地震动在中柱中引起的压应力的共同作用下,中柱发生压曲和弯曲的双重破坏,导致中柱倒塌,进而导致车站顶板塌陷;同时还表明,水平向地震作用仍是造成大开地铁站结构破坏的主要因素。

土与地下结构动力相互作用的大型振动台试验与计算

本文首先用大型振动台进行了土—地下结构的动力相互作用试验。采用加重乳胶制成的方形管道作为地下结构,将它预埋在大型刚性容器内的填砂中,该容器装置在振动台上,用简谐波在垂直于结构轴线的方向振动。测定了地下结构内的动应力以及砂与地下结构接触面上的动土压力及加速度。在这种试验的基础上提出了土—地下结构动力相互作用的计算模型。用等参数有限元法对这个小结构系统进行动力分析。结果证明,当考虑土的静、动力非线性并在两介质间使用薄层单元时,计算结果与试验结果吻合较好。

地震作用下桩-土-核电结构相互作用的异步分析方法

为拓展核电厂的选址范围,有必要对非基岩场地桩基情形的核电结构进行地震安全性评估。在目前的桩-土-结构相互作用分析方法中,Winkler地基梁模型以及p-y法都将桩-土-结构相互作用问题进行了简化,难以反映复杂地基情形。整体有限元法可考虑复杂地基情形,但计算量较大,效率较低。本文基于高效的三维时域土-结构相互作用分区分析(Partitioned Analysis of Soil-Structure Interaction,PASSI)方法,实现桩基与土体分别采用不同时间步距的计算方法,避免土体采用桩基相对较小的时间步距而增加不必要的计算量。本文以AP1000核岛结构作为研究对象,建立了桩-土-核电结构相互作用的三维有限元模型并对其进行分析。通过输入脉冲波验证了该异步算法的有效性,并结合运动相互作用和惯性相互作用,分析了桩身最大剪力和最大弯矩的特点。分析了桩-土-核电结构在地震波输入下的响应。由于桩的自由度数相对于土体的自由度数可以忽略不计,采用桩-土异步算法时,桩附加的计算量可以忽略,这种高效方法有望用于大型核电结构的桩-土-结构动力相互作用分析中。

地下结构与土动力相互作用试验研究

本文介绍了地下结构与土动力相互作用的振动台试验 ,通过试验对拟定结构的加速度放大系数、压力与位移响应进行分析 ,并讨论了地下结构对竖向地震激励的响应 ,以及在不同埋深下 ,土与地下结构的相互作用对地下结构抗震性能的影响。

地下结构与土动力相互作用试验研究

介绍了地下结构与土动力相互作用的振动台试验 ,通过试验对拟定结构的加速度放大系数、压力与位移响应进行分析 ,并讨论了地下结构对竖向地震激励的响应 ,以及在不同埋深下 。

地震作用下土-深埋地下结构相互作用的高效时程分析方法

基于黏弹性边界和将场地地震反应转化为等效荷载的有限元直接法是目前进行地震作用下土-结构相互作用分析的常用时程分析方法之一。当结构埋深较深时,整个土-结构系统的有限元模型自由度数目较多,尤其对于三维问题,计算效率低。提出一种高效分析方法,即一维场地反应分析仍然针对整个深厚土层,在后续的土-结构相互作用分析中将土-结构计算模型的自由表面向下移动、底边界面向上移动到接近结构的位置,通过缩减土-结构相互作用模型尺寸来提高计算效率。采用理论分析与数值算例,通过与采用整个深厚土层的传统土-结构相互作用分析结果对比,说明提出的高效分析方法能够满足精度要求,并且针对不同结构尺寸、结构埋深和围岩等级给出上、下人工边界位置的建议。

考虑土-结相互作用的大型结构高效地震分析方法

在对大型工程结构进行地震反应分析时土-结构相互作用通常不可忽略,然而,结构本身巨大的体量及考虑土-结构相互作用后引入的大范围土域模型导致计算规模通常十分庞大,由此引起的计算效率低下问题已成为制约此类结构性能分析的关键因素。该文提出一种新型土-结相互作用分析方法,并基于此实现了大型结构考虑土-结构相互作用的高效地震反应分析,建立不同接触状态下的单元法向和剪切相对位移分解方法;采用三维无厚度Goodman接触面单元格式对土与结构的接触行为进行描述,并通过插值方法对单元非线性变形进行描述,推导出隔离非线性的接触面单元控制方程;在此基础上,建立了大型工程结构考虑土-结构相互作用的整体式计算模型和高效地震反应分析方法。由于该文方法在每次迭代求解过程采用Woodbury公式计算结构响应,其仅需对一个规模极小的局部非线性矩阵进行迭代更新,避免了传统方法所需的结构大规模整体刚度矩阵实时更新分解,因而能够大幅度提高结构地震反应分析效率,数值算例验证了该文方法的有效性及高效性。

土的非线性对土-地下结构相互作用的影响

1 引言土与地下结构在外力作用下的反应不仅决定于各自的性状,而且还与它们间界面上的变形协调及相互传递的作用力和反作用力有关.因此,地下结构的设计和计算应当考虑土与地下结构间的静动力相互作用,其实质是涉及土的性质对地下结构界面上和结构内的静、动力反应的影响.土的性质,主要是变形性质和强度性质.本文拟就土的变形性质对土-地下结构相互作用的影响作些探索。

离散元法土-地下结构动力相互作用分析(英文)

基于变形体动力学原理,建立了新的可变形块体单元模型.根据离散元法原理,采用边-边接触关系及动态松弛法,推导出其理论公式并编制了计算程序;由静力问题计算结果的收敛性,验证了计算程序和计算参数选取的正确性,求出了地下结构在人工地震波作用下的动力反应.

土与相邻结构动力相互作用研究综述

对土与相邻结构动力相互作用的研究进展进行了综述。首先,从地基土的剪切模量、阻尼比和非线性行为等方面对地基土动力学特性研究进行了介绍。其次,对弹性地基模型、弹塑性地基模型和多尺度耦合模型等土与相邻结构动力相互作用模型进行了详细探讨。接着,从现场观测和监测技术、减震和隔震技术以及综合方法和多学科研究在该领域的应用等方面进行了概述。最后,对土与相邻结构动力相互作用研究领域的未来研究方向进行了分析。

土-地下结构相互作用的三维弱耦合有效应力分析法

地震波传播至土-结构接触界面时会发生反射与透射现象,结构周围土体处于往复剪应力和正应力差耦合的三维循环剪切状态。采用三维等效剪应变算法和加卸载判据将一维Davidenkov非线性滞回模型与剪切-体积应变耦合的孔压增量模型拓展至三维应力空间。考虑循环加载过程中土骨架循环刚度退化与超静孔隙水压力增长的耦合关系,建立了三维应力空间中的弱耦合有效应力分析法。基于ABAQUS显式求解器,实现了该有效应力算法,可应用于大型三维可液化场地中的土-地下结构体系非线性地震反应分析。针对已完成可液化场地三层三跨地铁车站结构试验开展数值模拟,结果表明:超静孔隙水压力的累积导致土的性状变化显著影响土-地下结构动力相互作用,数值模拟得到的土-结构接触界面能量聚焦时刻以及该时刻对应的瞬时卓越频率与振动台试验结果均吻合较好,提出的三维弱耦合有效应力法能较为理想地反映振动台试验中土-地下结构动力相互作用特性。土骨架有效应力水平显著影响超孔压比的发展规律,振动台不完备的密度相似比设计会造成模型结构周围地基土与原型的超孔压比分布规律存在差异。

饱和土与结构动力相互作用的二维摩擦接触模型

由于孔隙流体的存在,饱和土-结构的动力相互作用相比经典固-固接触的相互作用更加复杂,主要存在两类耦合问题:饱和土中的流-固耦合,以及结构与饱和土间的接触耦合。本文针对饱和土与结构间的动力接触摩擦效应问题,建立了可反映“粘结-滑移-分离”状态的饱和土与结构动力摩擦接触模型。该模型是由一系列“点-线”单元构成的接触界面,并基于摩尔库伦模型及有效应力原理,根据接触判别条件,分别从位移和孔压两方面建立不同接触状态下的接触控制方程,并通过挡土墙与饱和土的相互作用算例验证了该模型的正确性。最后,以大开地铁车站为工程背景,分析了考虑接触模型的饱和土与地下结构的动力响应,以及考虑接触模型的必要性。

考虑桩-土-结构相互作用下的跨地铁隧道基坑和基础设计与分析

本项目为跨既有地铁隧道的高层建筑,通过对基坑及转换基础进行精细化的设计与分析,保证地铁隧道和高层建筑的安全。采用考虑桩、土、上部结构相互作用的m法建立整体模型,对不同的m值结果进行对比,得出桩和转换梁的合理内力进行设计;运用Midas/GTS软件分析基坑开挖和主体结构施工对跨下地铁隧道的影响,对比基坑底采用格构式加固和满堂式加固对地铁隧道隆起的影响,同时运用Midas/GTS软件对桩和转换梁进行有限元实体分析。研究表明,当m值较大时,对桩更为不利;当m值较小时,对转换梁更为不利;地层加固形式和开挖顺序对隧道的变形有一定影响,本项目格构式加固有效减少隧道隆起且经济性较优;整体模型有限元实体分析的结果与m法计算结果有一定可比性。

考虑土-结构相互作用的大型商业综合体建筑结构地铁振动响应研究

大型商业综合体建筑结构的平面与竖向通常不规则,并且往往与地铁线路的距离较近,导致其在地铁振动作用下的响应相对复杂。基于天津市在建地铁四号线及其附近某商业综合体的实际工程项目,采用Abaqus建立了土体-地铁-大型商业综合体建筑结构的有限元模型,研究了土-结构相互作用、非一致激励以及不同楼面活荷载对上部结构振动响应的影响规律。结果表明,不考虑土-结构相互作用将显著高估地铁振动对上部结构振动响应的影响;分析时采用一致振动激励将忽视结构平面范围不同区域内竖向振动响应的差异,并显著高估部分位置处的竖向振动响应;此外,人群、商品、设备等附加楼面活荷载可以起到降低地铁振动作用下上部结构振动响应的作用。研究结论有助于准确评估地铁振动对环境的影响。