土-结构动力相互作用系统离心机振动台模型试验

为研究土-结构动力相互作用系统的地震反应情况,在50g的离心加速度条件下,采用Kobe波作为地震输入,进行两种埋深情况下砂土地基中较大断面地下结构的离心机振动台模型试验。介绍试验设计方案,给出加速度、土压力、位移和应变反应的量测结果。试验结果表明:结构最大弯曲应变发生在柱上端,说明柱是地下结构抗震最不利构件,且柱上端相对于柱下端更为不利;地震作用下结构所承受的总土压力有所增加,并且在地震作用后维持在较高的水平,最大土压力增量与最大总土压力均发生在底板角点处;埋深对地下结构的地震反应有重要影响,本次试验中,结构在对应于原型埋深为5m时的受力情况相比于埋深2.5m的情况更为不利;辅助观测断面与主观测断面相同位置测点的附加弯曲应变峰值较为接近,并且应变反应波形较为一致,表明结构模型地震反应的整体性较好。

液化场地桩-土-结构动力相互作用的有限元分析

基于Biot两相饱和多孔介质动力耦合理论,采用有效应力方法对液化场地桩基础的地震反应进行了三维有限元分析。在饱和液化砂土的循环塑性模拟中,采用了超固结边界面、Armstrong-Frederick型非线性运动硬化准则和非关联流动准则来描述动荷载作用下砂土的循环活动性以及液化强度等特性。对于桩的动力本构行为,则采用了可以考虑体积效应和轴向力影响的梁—柱单元来模拟。以某城市高架桥的实际工程为例,应用该方法对地基液化时桩—土—结构的动力相互作用进行了计算分析,并得到了一些有用的结论。

土-结构动力相互作用几个实际应用问题

对土－结构动力相互作用的效应和分析方法作了简要的回顾，对上－结构动力相互作 用几个实际应用问题进行了分析讨论。

三维土-结构动力相互作用的一种时域直接分析方法

本文提出了一种分析三维土-结构动力相互作用的时域直接方法。该方法采用集中质量显式有限元和透射人工边界模拟无限域地基,通过编制的FORTRAN程序实现;采用ANSYS软件对上部结构进行建模分析,并通过FORTRAN程序对ANSYS软件的调用,实现了土与结构系统在地震作用下的整体分析。该方法为显隐式相结合的方法,地基和上部结构可采用不同的时间步距进行分析,可大大提高效率。通过两算例,验证了该方法的可行性。

土-结构动力相互作用分析中基于内部子结构的地震波动输入方法

合理有效的地震波动输入是进行土-结构动力相互作用分析的关键环节,文章基于波动法理论,提出一种新的基于内部子结构的地震波动输入方法。新方法中等效输入地震荷载由计算模型内部截取的子结构的动力分析直接获得,从而使地震波的外源输入问题转化为内源波动问题。与波动法和基于人工边界子结构的地震波动输入方法相比,内部子结构法有效提高等效输入地震荷载求解和地震波动输入的效率;同时在地震波动输入的过程中避免人工边界的参与,从而彻底摆脱以往地震波动输入方法对于人工边界条件的限制,因此该方法更具普适性。文章详细介绍了基于内部子结构的地震波动输入方法在土-结构动力反应分析中的实现方法,并通过地震波斜入射下的自由场算例与土-结构动力相互作用算例,验证新方法的有效性。

土-结构动力相互作用体系阻尼及地震反应分析

通过全面考虑土-结构动力相互作用体系中上部结构阻尼、地基土黏滞材料阻尼以及地基基础平动与转动时的辐射阻尼,推导了土-结构相互作用体系的耦合阻尼比公式。结合国内外关于阻尼调整系数的研究成果,提出了基于加速度反应谱的阻尼影响因子概念,建立阻尼影响因子η与《规范》中地震影响系数α的关系式。通过耦合阻尼比公式以及提出的η与α的关系式,对土-结构相互作用体系地震作用加以研究。结果表明考虑土与上部结构的相互作用后能够增大体系的阻尼性能,并大大降低上部结构的地震作用,提高体系的整体抗震性能。其成果为未来抗震防灾研究与工程的抗震设计提供了理论依据。

三维土-结构动力相互作用体系分析的两步时域显式波动有限元过程

为减少直接分析三维大尺度复杂土-结构动力相互作用问题的计算量,提高计算效率,本文直接从波动方程出发,提出了较常规子结构法更简单的两步简化计算过程,即第一步简化上部复杂结构体系为集中质量杆系模型,并求基础处等效输入,第二步通过等效输入求上部结构各位置的动力反应。其中第一步计算主要采用集中质量显式有限单元法结合局部透射人工边界实现,并编写了工程实用性强的时域三维土-结构动力相互作用专用分析程序3DSSI。和其它类似方法相比,本方法的特色从几个方面体现:完全采用时域显式递推的过程,使计算效率较高;上部复杂结构的简化,使计算量仅相当于土体自由场分析;等效输入的获得,可使土体-结构复杂体系的动力分析等效为常规的上部结构动力反应计算;时域算法较常用的频域法在土体非线性方面存在更大潜力。本文还通过典型的三维土-结构模型的建立,与相应的参考解相比,验证了本文提出的计算方法的有效性和计算精度,并初步探讨了土-结构动力相互作用体系的一些基本规律。

土-结构动力相互作用研究综述

土与结构动力相互作用是当代力学领域的前沿性研究课题,具有很强的实践性。对土与结构动力相互作用的研究历史与现状进行了介绍,简要综述了当前土与结构动力相互作用的研究方法,重点介绍了目前关于土与结构动力相互作用问题中从无限域转化成有限域的人工边界研究进展问题,并对该领域今后的研究工作提出了建议。

考虑土-结构动力相互作用的冷却塔地震响应分析

大型高耸钢筋混凝土冷却塔属于典型的风敏感型结构，近年来在地震、飞机撞击、爆破等极端外部作用下动力响应研究也得到了工程界的广泛关注。土－结构动力相互作用效应（Soil Structure Interaction，SSI）对于大坝、桥梁等类型工程结构地震响应的影响研究成果较为丰富，而对冷却塔结构体系的影响程度方面很少涉及。依据弹性波动理论结合有限单元法，建立和推导了考虑土－结构动力相互作用的三维黏弹性人工边界模型和公式，并通过半空间自由场模型验证该地震动输入方法的准确性。以国内实际工程项目——某火电厂大型冷却塔为研究背景，以通用有限元程序 AN-SYS 为平台，分别建立了冷却塔刚性地基模型、无质量地基模型和黏弹性人工边界模型，开展模态分析及弹性时程分析，研究不同计算模型相应的动力特性及内力变化，探讨了土－结构动力相互作用的影响规律。研究结果表明：考虑刚性地基，冷却塔结构体系自振频率分布十分密集，绝大多数振型为环向谐波和子午向谐波组合的局部振型；考虑弹性地基后，结构的自振频率略有降低，整体振型较早出现。通过时程分析可知，采用黏弹性人工边界模型，考虑无限地基辐射阻尼效应，与刚性地基模型相比，塔筒的绝对加速度最大值降低43．4％，塔筒沿子午向弯矩轴力幅值降低约50％，而环向内力却均显著提高，X 支柱内力幅值降低约20％-50％．因此，在进行冷却塔地震响应分析时，土－结构动力相互作用的影响不可忽视。

软土地基上的土-结构动力相互作用

对于建在软弱地基土上的高层结构,由于土-结构动力相互作用,基础的平移和转动导致结构整体发生刚体位移,特别是刚体运动中的转动不仅可能增加结构的绝对位移,并且可能加大结构的重力倾覆力矩,使结构的整体稳定性受到影响。以软土地基上的刚性基础及上部结构为研究对象,通过施加与重力倾覆力矩等效的侧向力来考虑重力二阶效应,并推导了考虑土-结构动力相互作用时结构的几何刚度矩阵。数值算例表明,土-结构动力相互作用对结构的位移产生较大的影响,由此所引起的重力二阶效应可能使结构抗倾覆性能偏于不安全。

分析三维土-结构动力相互作用体系等效输入的时域显式有限元法

基于直接法中分析三维土-结构相互作用问题的两步法思想,提出关键性第一步等效输入计算的时域简化算法。本方法在采用集中质量显式有限单元法结合显式人工边界的同时,借鉴子结构法中刚性基础假设及动力相互作用的概念,简化三维土-结构相互作用体系动力计算过程。和其他同类方法相比,本方法完全采用时域显式递推的过程,计算效率较高,计算量少;等效输入的获得,可使土-结构复杂体系的动力分析等效为常规的上部结构动力反应计算,时域算法较常用的频域法在土体非线性方面存在更大潜力。本文还通过典型的三维土-结构模型的建立,与相应的参考解相比,验证本文提出的计算方法的有效性和计算精度,并初步探讨土-结构动力相互作用体系的一些基本规律。

土-结构动力相互作用的振动台试验研究综述

本文从土-结构动力相互作用振动台试验过程中所涉及的结构模型动力相似设计、模型土体的模拟及土体边界条件的模拟三个方面,回顾了近几年来土-结构动力相互作用振动台试验研究的发展历程与现状,重点描述了试验过程中为了更好地反映震动条件下土与结构动力相互作用的机理,学者们所采取的办法和措施。并在此基础上,介绍了一种新的研究土-结构动力相互作用的振动台试验技术。最后,总结了传统的土箱-振动台试验存在的不足,并与这种新的试验技术进行了对比,提出了对于这种新的试验方法仍需要进一步研究和解决的问题。

土-结构动力相互作用下网架结构简化分析方法研究

根据不同学者有关地基动力阻抗的计算公式,结合整体有限元法,从工程应用出发对S-R(Swing-Rocking)模型进行修正,提出适用于分析土-结构动力相互作用下大跨空间结构的简化计算方法。基于修正的S-R模型建立土-网架结构动力相互作用的计算模型,与已验证的三维整体有限元(3-D)模型进行对比分析。研究表明,根据修正S-R模型计算所得土-网架结构相互作用体系的自振特性和地震响应与已验证的3-D模型结果呈现出完全一致的规律性且吻合较好,从而验证了修正S-R模型的合理性;在不同地震波作用下,采用Gazetas提出的地基动力阻抗公式建立的土-网架结构相互作用体系中网架节点最大位移和峰值加速度与已验证的3-D模型结果最大误差不超过8.0%,结构杆件内力最大误差不超过10%,表明Gazetas提出的地基动力阻抗公式更适用于分析土-大跨空间结构动力相互作用问题,且具有较好的精度。

土-结构动力相互作用振动台试验中模型地基影响因素分析

为了给出土-结构动力相互作用大型振动台试验中模型地基设计的一般原则,结合各国已有的典型试验中模型地基的动力响应实测结果,以加速度峰值放大系数及其傅里叶幅值谱为分析依据,从边界效应、模型地基高度、土体含水量及地震波输入次数4个方面对模型地基的振动性态进行了比较分析。结果表明:土箱刚性、土的自振特性、地基高度、土体含水量及地震波的输入次数是影响模型地基动力特性的主要因素,并提出了相应的控制原则。该结论可为同类试验中模型地基的设计和试验的顺利开展提供有益的参考。

考虑土-结构动力相互作用的框架结构的参数识别研究

对一座采用柱下独立基础的钢筋混凝土4层框架结构进行了随着层数增加的4种工况模态实验,用脉冲锤击法测试得到了各种工况的整体模态频率和振型。考虑地基-基础-上部结构动力相互作用,上部框架结构采用缩聚得到的弯剪结构模型,下部基础利用Pais等人提出的弹性地基上埋置矩形板的地基阻抗函数进行简化处理得到的计算模型。在满足地基动剪模量和各层混凝土的弹性模量随框架层数的增加而增加的原则下,建立了4种工况下的多目标优化准则。将基于频率数据识别欠定问题的灵敏度方法进行了结构物理参数以及地基参数同时识别,识别得到的模态实验值与测试值符合良好。识别结果能够反应地基基础对结构的影响并为进一步损伤诊断提供了依据。

桩基础桥梁的土-结构动力相互作用

首先以加权残差公式为基础 ,采用积分方程方法推导与桩基础对应的层状场地动力刚度矩阵公式 ,并用解析解验证了数值分析的计算结果 ;然后用子结构法联合积分方程方法和有限元法的计算结果 ,求解土 -结构动力相互作用的地震响应 ;最后以芜湖长江大桥主跨斜拉桥长塔墩的地震响应为例 ,将本文的计算结果与 Penzien模型的计算结果作了比较。

土-结构动力相互作用人工边界分析及试验验证

利用有限元软件Ansys二次开发语言apdl进行二次开发,将多次透射边界(MTF边界)和弹阻边界(V-S边界)添加到软件中,从而实现对土-结构动力相互作用问题中无限域场地的模拟。以野外大比例(1/2)土-箱基-框架结构试验模型的牵引释放自由振动试验(波源问题)和爆破震动试验(散射问题)数据为基础,通过有限元数值计算结果和试验结果的对比可知,施加了人工边界的土体模型可以较好地模拟波在无限域土体中的传播,有效地减少有限元计算模拟时的计算规模。同时多次透射边界在计算精度以及散射问题中地震波输入的便捷性方面要优于弹阻边界。

土-结构动力相互作用问题的研究现状及展望

对土-结构动力相互作用问题的研究现状进行了分析，并对该领域今后的研究工作提出了建议．

土-结构动力相互作用几种计算模型的比较

针对目前在土-结构动力相互作用分析中基础常采用实体单元、结构采用梁单元,建模过程中经常遇到的基础和结构不同单元的连接问题,通过在基础表面添加刚臂连接单元的方法来模拟基础和结构的连接,并分析对比了实体单元、实体单元-刚臂-梁单元、实体单元-梁单元3种模型在考虑土-结构相互作用时的动力反应,计算结果显示:采用刚臂连接单元方法的计算结果精度与实体单元的相同,但计算效率高。

土-结构动力相互作用对结构控制的影响

本文研究了土-结构动力相互作用对采取不同控制措施的结构控制效果的影响。文中首先建立了主动调谐质量阻尼器(ATMD)、半主动磁流变阻尼器(MR)和被动多重调谐质量阻尼器(MTMD)等三种结构控制措施在时域中的控制算法和控制律,然后基于子结构法,采用间接边界元方法,通过傅里叶变换,推导了分别安装三种结构控制措施的受控结构在频域中的运动方程,数值仿真分析了某36层高层建筑的地震反应及其控制效果。结果表明,当采用ATMD或MTMD控制时,考虑土-结构动力相互作用后结构地震反应有所减小;当采用MR控制时,考虑土-结构动力相互作用后结构地震反应有很大程度的减小。由此看来,在设计软土地基上高层结构的结构控制措施时,不考虑土-结构动力相互作用对结构控制效果的影响是偏于安全的。