协同工作条件下地基土对单层球面网壳结构动力性能的影响

针对大跨空间结构与地基土协同工作问题,基于修正的S-R(Sway-Rocking)模型,建立单层球面网壳屋盖-支承结构-地基土协同工作的整体有限元模型,分析协同工作条件下不同地基土对单层球面网壳结构自振特性及地震响应的影响。研究表明,协同工作条件下单层球面网壳结构的自振周期随着地基土的变软明显增大,屋盖结构竖向振型提前。在地震作用下,单层球面网壳屋盖的杆件轴力和网壳节点最大竖向加速度随着地基土变软而减小;网壳节点的最大水平位移随着地基土的变软而增大,而最大竖向位移呈现减小趋势。     

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。     

高架桥-地铁站-桩-土复杂结构体系地震反应分析

基于ANSYS对机场航站区高架桥与其下通过的地铁车站的交叉处结构进行了地震反应分析研究,建立了高架桥-地铁站-桩-土相互作用复杂结构体系的计算模型,同时与桥墩墩底简化为固定端模型单独来分析计算上部桥体以及取消地铁结构替换为承台和桩基础的整体模型进行了地震时程反应对比分析。结果表明:考虑相互作用后,整体结构的动力特性与刚性地基假定下的结果存在较明显的差异,不但体系的自振周期增大,并且前几阶主要振型也有很大改变;整体结构的最大位移增大,但顺桥向与横桥向增大幅度明显不同;而对于最大位移节点的加速度、桥梁支座及桥墩墩底反力,三者的顺桥向与横桥向的差别更加明显,其顺桥向比固定端模型减小,而横桥向出现增大的情况。这些现象表明:对复杂结构体系进行抗震设计分析时,考虑土-结构动力相互作用带来的影响十分必要。     

高架桥-地铁站-桩-土复杂结构体系地震反应分析EI北大核心CSCD

基于ANSYS对机场航站区高架桥与其下通过的地铁车站的交叉处结构进行了地震反应分析研究,建立了高架桥-地铁站-桩-土相互作用复杂结构体系的计算模型,同时与桥墩墩底简化为固定端模型单独来分析计算上部桥体以及取消地铁结构替换为承台和桩基础的整体模型进行了地震时程反应对比分析。结果表明:考虑相互作用后,整体结构的动力特性与刚性地基假定下的结果存在较明显的差异,不但体系的自振周期增大,并且前几阶主要振型也有很大改变;整体结构的最大位移增大,但顺桥向与横桥向增大幅度明显不同;而对于最大位移节点的加速度、桥梁支座及桥墩墩底反力,三者的顺桥向与横桥向的差别更加明显,其顺桥向比固定端模型减小,而横桥向出现增大的情况。这些现象表明:对复杂结构体系进行抗震设计分析时,考虑土-结构动力相互作用带来的影响十分必要。     

松软场地上桩筏基础AP1000核岛结构的三维非线性地震反应特性

松软场地上核岛结构的地震安全正成为一个挑战性的重大工程问题。选取代表性的近场强震、中远场强震和远场大震记录作为基岩地震动,考虑场地工程地质特性、土体非线性和人工边界条件,对松软场地-桩筏基础-AP1000核岛结构三维体系进行非线性地震反应分析,结果表明:核岛结构谱加速度的卓越周期与基岩地震动的基本相同,对与核岛主体结构基本频率相近的地震动分量的反应更为强烈,冷却系统水箱“晃动水”的地震反应对核岛结构的影响类似于鞭梢效应;核岛结构的峰值加速度放大系数随结构高度增大,近场和远场强震作用时,该放大效应主要取决于核岛结构自身特性及基岩地震动经土层到核岛底部的传播;核岛结构相对其底部的峰值相对位移随结构高度增大,且远场大震作用时的反应更为强烈;随基岩峰值加速度的增大,核岛结构的峰值加速度放大效应减弱、峰值相对位移反应增大。地基柔性及土-结构相互作用的耦合效应对输入地震动具有高频过滤、低频放大效应,从而使核岛结构下部的峰值加速度显著放大、中上部的峰值加速度显著减小。     

土-结构相互作用对储液结构动力反应的影响研究

该文建立了考虑土-结构动力相互作用和流固耦合效应的储液结构-土体近场有限元模型,利用人工边界技术模拟半无限地基的波动辐射效应,采用人工边界子结构法实现地震波在近场模型中的输入,在此基础上,研究了土-结构动力相互作用对储液结构地震反应的影响。研究结果表明,考虑土-结构相互作用时,储液结构-液体耦联自振频率整体向低频方向移动,且与不考虑土-结构相互作用的模型相比,出现了额外的有土体参与的自振模态。受地震波频谱成分和储液结构自振频率变化的影响,在不同输入地震波和储液量下,土-结构相互作用对结构地震反应峰值呈现不同的影响规律。对于峰值地震反应过后的后续波动,当考虑土-结构相互作用时,由于下部土体与结构相互作用产生的散射波不断向外部辐射扩散,并最终被人工边界吸收,导致储液结构及其内部水体的振动幅值快速衰减。     

砂土液化场地桩基地震反应分析

用整体动力有限元方法进行砂土液化场地桩-土-结构动力相互作用及桩基地震反应分析。在土体侧向的边界节点处用弹簧并联阻尼器来进行模拟；在土体平面应变单元和桩体梁单元连接处，用补充约束方程的方法进行节点耦合，使两种不同类型单元满足连续条件。结合典型工程实例选择桩-土-结构及荷载参数，重点讨论了三种不同情形下砂土液化场地土-结构相互作用对桩基地震反应的影响，分析和比较了三种情形下体系1至6阶的自振周期、基桩危险截面处的位移与内力时程和最不利时刻桩身的位移与内力等，得到了一些对工程实际有益的结论。     

考虑桩-土相互作用的连续刚构桥车桥耦合振动分析

针对某高速铁路上一座位于软弱地基处的连续刚构桥,为研究考虑桩-土相互作用对上部结构和车辆动力响应的准确影响,避免由于桩顶横向位移和弯曲的耦合作用带来的误差,建立包含桩基础的整体桥梁模型(全桩模型),对比以往常用的墩底固结模型和在承台底施加弹簧约束的模型(等效刚度模型)。计算分析了三种模型的自振特性,使用桥梁动力分析程序BDAP V2.0分别进行动力仿真分析。对比分析表明：考虑桩-土相互作用对桥梁横向振动有较大影响,其中横向动位移显著增大,最大误差达31%,而横向加速度降低;全桩模型由于考虑了桩土相互作用以及横向位移和弯曲的耦合作用,比墩底固结模型和等效刚度模型要合理;高速铁路桥梁位于软弱地基处且具有高桩承台时,应采用考虑桩-土-上部结构动力相互作用的有限元模型进行车桥动力仿真分析。     

上部结构刚度改变对桩基地震反应的影响

用整体有限元方法进行桩-土-结构动力相互作用体系的地震反应分析。在土体侧向的边界节点处用弹簧并联阻尼器来进行模拟;在土体平面应变单元和桩体梁单元连接处,用补充约束方程的方法进行节点耦合,使两种不同类型单元满足连续条件。结合典型工程实例选择桩、土、结构及荷载参数,重点讨论了3种不同的上部结构刚度对桩基地震反应的影响,求出了3种上部结构刚度下体系1阶~6阶的自振周期和桩基的最大位移及内力等,并进行了分析和比较,得到了一些对工程实际有益的结论。     

地震波斜入射下考虑场地非线性、地形效应和土结动力相互作用的大跨连续刚构桥地震响应分析

基于多源叠加粘弹性人工边界和等效线性化理论,建立了SV波斜入射下考虑场地非线性、地形效应和土-结构动力相互作用的大跨结构动力响应分析计算方法。该文首先给出了SV波斜入射下非线性场地的自由场等效线性化求解方法,然后利用ANSYS有限元软件对一座5跨连续刚构桥和场地建立了有限元模型,计算了考虑场地非线性情况下不同入射角、不同地形和不同场地刚度工况下连续刚构桥的动力响应。计算结果表明:桥墩轴力随着入射角的增大而增大,剪力则随着入射角的增大而减小;局部地形不规则程度对桥梁结构内力放大效应有所不同,地形变化越剧烈,放大效应越明显;土体刚度对考虑土-结构动力相互作用的桥梁结构动力响应有较大影响,土体越软,土-结构动力相互作用效应越明显。     

变刚度地基上基础隔震结构动力学特性变化规律试验研究

基于饱和砂性土地基动孔压比变化对地基刚度的影响规律,通过控制输入地震动持时压缩比和强度的方法,提出了变刚度地基上隔震结构振动台模型试验方法,并结合已完成的不同地基上土-桩-隔震结构系列振动台模型试验,分析了地基刚度变化对基础隔震结构动力学特性的影响规律。结果表明,随着结构-土体相对刚度比的增大,变刚度地基上基础隔震结构一阶自振频率降低,但体系阻尼比明显增大,尤其是隔震层的隔震效率发生了明显的降低。变刚度地基上结构-土体相对刚度比显著影响隔震结构楼层加速度反应和层间位移反应,强震下结构-土体相对刚度比越大,隔震结构楼层加速度反应和层间位移反应较刚性地基时增大越显著。基于系列振动台模型试验结果,初步给出了基于结构-土体相对刚度比的小高宽比隔震结构模型周期延长率、阻尼比、层间位移角SSI影响率以及隔震层位移SSI影响率的预测公式,该研究结果有助于推动结构隔震技术的更广泛应用。     

桩-土动力相互作用对连续梁桥半主动控制的影响研究

建立刚性地基和桩土相互作用两种模式的整体桥梁有限元模型，在桥梁支座部位设置线性粘滞阻尼器，计算桥梁在地震动作用下未施加控制和半主动控制的地震反应，探讨了桩土动力相互作用对连续梁桥地震反应半主动控制的影响以及半主动控制的减震效果。结果表明，桩土动力相互作用使连续梁桥自振周期增大，半主动控制的减震效果也相应增大，而最终的桥梁最大位移反应数值比较接近，最大内力数值更加减小，桩土动力相互作用对连续梁桥半主动控制系统减震效果的不利影响非常小，充分显示了半主动控制的优越性。     

长周期地震动下软夹层地基的层间隔震结构振动台试验研究

长周期地震动易使隔震结构地震响应强烈,考虑土-结构相互作用（SSI效应）后隔震结构可能更不利。为探究长周期地震动下软弱夹层地基SSI效应对层间隔震结构的动力响应规律及减震性能的影响,开展刚性、软夹层地基上大底盘单塔楼层间隔震结构的数值模拟和振动台试验。结果表明：考虑SSI效应后结构的自振周期较刚性地基增大,但采用隔震技术后延长的周期倍数降低;软夹层地基对输入地震动具有明显放大和滤波效应,与地震动的峰值和频谱特性相关;SSI效应对层间隔震结构的地震响应以放大作用为主,对下部底盘和隔震层的影响较大;考虑SSI效应后长周期地震动下隔震结构的地震响应较普通地震动更为强烈,减震效果变差,特别是近场脉冲地震动下隔震层位移超限,体系发生失效破坏。     

考虑桩-土相互作用的不等高墩桥地震响应分析

基于LS-DYNA有限元软件的二次开发功能,引入p-y桩土动力相互作用模型和钢材的BONORA损伤本构模型。以某大桥四跨引桥为研究对象,建立了包括考虑土-结构相互作用的WINKLER地基梁模型、有效桩长模型、全桩长模型,以及不考虑土-结构相互作用的无桩模型等四种桩基础分析模型和上部结构弹塑性损伤分析模型;通过场地自由场求解,在桩侧节点上施加相应位置的加速度时程,对基于四种桩基础模型的该大桥进行了自振特性以及在小震、中震和大震下的位移、加速度、内力、损伤分析,并探讨了WINKLER地基梁模型不同深度下桩-土p-y模型的应力-应变关系和桩身变形特性。结果表明,桩基础数值分析模型对结构整体响应影响显著,不等高墩桥顺桥向与横桥向响应差距大,所开发的p-y模型可用于桥梁结构精细化数值分析。     

土-相邻结构相互作用子结构振动台试验研究

以土-相邻结构体系和土-单体结构体系为研究对象,依托振动台并融合子结构试验技术,通过在试验中引入分支模态方法,利用多子结构间的相互作用耦合项把地基子结构的数值计算和上部模型结构的物理试验联系起来协同分析,实现了考虑土-相邻结构相互作用(SASI)效应和土-结构相互作用(SSI)效应的子结构振动台试验。以由两个相同四层钢框架结构与地基土组成的土-相邻结构体系为例,讨论了模型结构的加速度放大系数在各地震动作用下的变化规律;对比分析了土-单体结构体系和土-相邻结构体系中模型结构的顶层位移、加速度和底部剪力,研究了SASI效应对结构动力反应的影响规律。研究表明:与土-单体结构体系相比,SASI效应使结构的地震响应峰值呈现出不同程度的下降趋势,其影响程度和地震波的频谱成分组成以及体系自身的动力特性有关。     

考虑土-结构相互作用的结构残余位移比谱EI北大核心CSCD

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。     

黄土与地铁车站动力相互作用模型的水平位移及沉降分析EI北大核心CSCD

在黄土场地条件下进行土与地铁地下结构动力相互作用振动台试验。基于实测数据对黄土与地铁车站接触动土压力、模型地基竖向沉降及水平位移进行分析,对试验中模型地基地震破坏特点进行描述。结果表明:结构侧面顶部动土压力大于中部和下部,随输入峰值加速度的增大结构侧面土压力均增大;地震动较大时,地基层间剪切位移呈现顶部最大,底部次之,中部最小;地表沉降随输入峰值加速度的增加而增大,西安人工波作用下地表沉降大于松潘波和Taft波作用下沉降;结构上方地表沉降始终小于周围土层,表明结构发生相对上升运动;分析发现,结构顶、底动土压力差提供结构上升运动的内在动力。回归分析表明,地基水平相对位移与土层深度可用三次多项式拟合,两者之间具有较好的相关性。     

软夹层地基上多层隔震结构模型振动台试验研究

基于软夹层地基和刚性地基上多层隔震结构体系地震反应的振动台模型试验,研究软夹层地基上隔震结构体系的动力特性、地基地震反应特性、上部结构加速度反应特征,分析基础与隔震层的转动效应及其对隔震效果的影响。试验结果表明:软夹层地基对地震动输入起明显的削弱作用;软夹层地基上SSI效应对隔震结构动力特性影响较大,SSI效应降低了隔震结构体系的一阶自振频率,显著增大了体系的阻尼比;软夹层地基上SSI效应使隔震结构基础及隔震层产生转动反应,隔震层对基础转动角加速度反应有一定的放大作用,与输入地震动的特性有关;软夹层地基上SSI效应可增大也可能减小隔震结构上部结构的地震反应,隔震效果与隔震层转动效应的强弱密切相关,隔震层转动效应显著时,隔震结构楼层加速度峰值放大系数增大,隔震效果降低,而隔震层转动效应减弱时,楼层加速度峰值放大系数与刚性地基时相似,隔震效果较好。     

黄土与地铁车站动力相互作用模型的水平位移及沉降分析

在黄土场地条件下进行土与地铁地下结构动力相互作用振动台试验。基于实测数据对黄土与地铁车站接触动土压力、模型地基竖向沉降及水平位移进行分析,对试验中模型地基地震破坏特点进行描述。结果表明:结构侧面顶部动土压力大于中部和下部,随输入峰值加速度的增大结构侧面土压力均增大;地震动较大时,地基层间剪切位移呈现顶部最大,底部次之,中部最小;地表沉降随输入峰值加速度的增加而增大,西安人工波作用下地表沉降大于松潘波和Taft波作用下沉降;结构上方地表沉降始终小于周围土层,表明结构发生相对上升运动;分析发现,结构顶、底动土压力差提供结构上升运动的内在动力。回归分析表明,地基水平相对位移与土层深度可用三次多项式拟合,两者之间具有较好的相关性。     

基于变分原理的整体道床结构动力有限元分析

根据国内外铁路隧道整体道床的建设经验,针对弹性支承块式整体道床结构,建立轨道-道床底板-底部垫层相互作用的粘弹性地基梁模型。依据弹性梁动力分析的第一类变量广义HAMILTON拟变分原理,推导出了粘弹性地基上弹性地基梁的动力分析方程,建立了相应的有限元解析方法对整体道床结构的动力响应特征与影响因素进行分析。研究成果对优化整体道床结构的设计参数,分析其动力稳定性具有重要意义。