大型基础等效输入地震波研究

提出了一种考虑土与结构相互作用的"等效输入"概念,所谓等效输入就是采用合理的方法获得基础顶面的地震动,认为此地震动已充分考虑土与结构相互作用,可以作为抗震设计中刚性地基假定下的输入地震动.这种方法可以把开放体系中的动力问题转换到封闭系统中,这样既可以利用传统的刚性地基假设,又考虑了土与结构相互作用.用此方法对带箱形基础的框架结构模型进行计算,验证了等效输入的计算精度.     

考虑土-结构动力相互作用的TMD结构减震控制

本文分析了TMD(Tuned mass damper)在刚性地基和柔性地基情况下的减震控制机理,以某6层钢筋混凝土框架结构为研究对象,分别考虑了土-结构动力相互作用对无TMD控制结构的影响,场地条件对TMD减震控制性能的影响和土-结构动力相互作用对TMD减震控制性能的影响。通过分析得出TMD控制系统的减震效果除了与输入地震动特性有关外,还与场地条件、上部结构和基础的动力特性等因素有关。如果土-结构动力相互作用体系的自振周期远离输入地震动的卓越周期,则相互作用体系的地震响应较小。地基土越软,框架建筑结构层间相对位移地震响应也就越小。如果考虑土-结构动力相互作用效应的影响设计TMD调频系统的自振周期,则TMD的控制效果会有一定程度的提高。     

铅芯橡胶支座隔震钢框架结构体系振动台模型试验研究

设计并完成了铅芯橡胶支座隔震钢框架结构体系的振动台模型试验,研究刚性地基上隔震结构体系的动力特性和隔震效果,为进一步开展考虑土-结构相互作用的隔震结构体系振动台模型试验提供数据对比。试验结果表明:刚性地基上隔震结构体系具有良好的隔震性能,隔震效果显著,输入地震动的频谱特性和加速度峰值对隔震结构的隔震效率影响较大。     

考虑土-结构相互作用与重力二阶效应影响的钢筋混凝土框架结构地震反应分析

本文以一10层钢筋混凝土框架结构为例,采用ATC-40以及FEMA440中推荐的考虑土结构相互作用的方法并且计入重力二阶效应的影响,利用SAP2000进行动力时程分析。通过分析可知,考虑相互作用和重力二阶效应之后,在多遇与罕遇地震作用下,结构的层间位移角大幅变大,基底剪力明显减小,最大层间位移角增大系数在1.614~2.163之间,基底剪力增大系数在0.623~0.843之间,而且场地土越软,结构的层间位移角的增大比例越大。当结构倒塌破坏时,塑性铰主要集中在结构的底部楼层,并且场地土越柔集中现象越明显、破坏时的地震加速度峰值越小,而且计算结果表明,地基土越柔,土结构相互作用与重力二阶效应的影响越明显,不考虑相互作用与重力二阶效应,对于钢筋混凝土框架结构倒塌分析是偏不安全的。     

近场水平、竖向地震共同作用下地基-基础-RC框架结构抗震性能研究

本文运用SAP2000对一10层钢筋混凝土框架结构在双向地震作用和单向地震下,考虑土-结构相互作用并计入重力二阶效应影响和不考虑二阶效应、采用刚性地基假定的情况分别进行动力时程分析,对比研究该结构抗震性能的变化规律。然后针对竖向地震作用展开进一步研究,探讨地震波的竖向和水平PGA比值对结构地震响应的影响规律。研究表明:(1)近场双向地震作用下,采用刚性地基假定,分析得到的结构地震响应比考虑土-结构相互作用时小,偏于不安全。(2)近场双向地震作用下地基-基础-RC框架结构的地震响应比单向地震作用时大,且随着场地土变软,不利影响增大,表明竖向地震作用不容忽视。(3)近场地震中,考虑土-结构相互作用的情况下,结构抗震性能在地震竖向和水平PGA比值为0.6左右时所受影响最小,比值为0.7左右时所受影响最大。     

土与结构动力相互作用体系振动台模型试验研究

设计并完成了土与结构动力相互作用体系的大型振动台模型试验，通过将同种加载条件下的刚性地基和柔性地基上结构地震反应进行对比，分析了SSI效应对一幢十层框架结构地震反应的影响。由试验结果可知：在SSI效应作用下，基底输入地震动的强度和频谱特性发生了显著的变化；由于SSI效应的作用，刚性地基和柔性地基上的结构地震反应存在较大差别，且在一定条件下，SSI效应对结构地震反应能起到减震作用。     

土-结构动力相互作用对基础隔震的影响

本文研究土-结构动力相互作用对基础隔震的影响。文中根据间接边界元方法，推导了空间域中的格林函数公式，并建立了地基土的动力刚度矩阵；进而在频域内采用子结构法，建立了考虑土-结构动力相互作用的隔震结构的运动方程；通过数值仿真某具有埋置刚性基础的剪切型基础隔震结构的地震反应，分析了地基土的刚度对隔震效果以及结构地震反应的影响，得到了一些有意义的结论。     

分层土-基础-高层框架结构相互作用体系振动台模型试验研究

本文设计实现了分层土－基础－高层框架结构相互作用体系的振动台模型试验，再现了地震动激励下上部结构和基础的震害现象和砂质粉土的液化现象。通过试验，研究了相互作用体系地震动反应的主要规律：由于动力相互作用的影响，软土地基中相互作用体系的频率小于不考虑结构－地基相互作用的结构频率，而阻尼比则大于结构材料阻尼比；体系的振型曲线与刚性地基上结构的振型曲线明显不同，基础处存在平动和转动。土层传递振动的放大或减振作用与土层性质、激励大小等因素有关，砂土层一般起放大作用，砂质粉土层一般起减振隔振作用；由于土体的隔震作用，上部结构接受的振动能量较小，各层反应均较小。上部结构顶层加速度反应组成取决于基础转动刚度、平动刚度和上部结构刚度的相对大小。     

考虑土与结构相互作用效应的结构减震控制大型振型台模型试验研究

本文设计并完成了考虑土与结构相互作用的结构减震控制大型振动台模型试验，通过对四种结构形式的对比试验。探讨了土与结构相互作用（SSI）效应对结构地震反应的影响以及调谐质量阻尼器（TMD）在刚性和柔性地基条件下对主体结构的减震效应。通过比较同一地震动作用下主体结构在刚性和柔性两种地基条件下的地震反应，可知：SS效应具有降低和提高结构减震控制效果的双重作用，其综合效果与输入地震动的频谱特性，加速度峰值大小有关。由于SSI效应在结构地震反应中发挥着双重的作用，因而使得基于刚性地基假定了设计的TMD减震控制系统在柔性地基条件下的控制效果不太理想，甚至会出现负面效应。本文还探讨了在生地基条件下影响减震控制效果的一些因素。     

考虑土-结构相互作用的框架结构抗震性能分析

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。     

动力相互作用分析中无质量地基的应用研究

关于结构-地基的动力相互作用分析已经提出了很多方法，但由于方法复杂而没有得到广泛应用，无质量地基模型仍然是应用最为广泛的近似方法。本文通过结构-地基的动力相互作用分析公式的推导，详细阐明了考虑无限地基影响的动力相互作用分析中无质量地基的概念和应用范围，并通过算例进行了说明。     

软土地基核电厂房动力响应振动台试验

为了分析软土地基－筏基础核电厂房结构地震反应规律和特征,利用地震模拟振动台开展了软土地基－筏基础－核电厂房动力相互作用问题的试验研究。分别进行了表面水平土体模型和表面凹陷土体模型的运动相互作用试验、地基土－筏基础－核电厂房振动台相互作用试验、核电厂房直接固定在振动台面上的刚性基底振动台试验。试验采用圆形叠层剪切模型箱,地基土模型为某工程场地的均匀粉质粘土,其剪切波速为213 m/s;核电厂房简化为3层框架剪力墙结构模型。试验输入波形为美国核电规范常用的RG1.60反应谱合成得到的人工地震动时程。振动台试验结果对比分析表明:土－结构体系中系统的振动周期和阻尼明显大于刚性基底下结构的振动周期和阻尼;相同地震作用下在土－结构动力相互作用体系中结构加速度明显小于刚性基底下的结构加速度反应;而位移明显大于刚性基底下结构的位移。本文的研究成果可为软土地基建立核岛厂房的适应研究提供参考。     

极限安全地震动下考虑土-结构相互作用的核电站安全壳响应分析

根据黏弹性人工边界的基本原理,结合有限元分析软件ABAQUS和MATLAB辅助程序,在地基有限区域上添加黏弹性人工边界并实现极限安全地震动的输入。基于ABAQUS软件平台,对CPR1000安全壳构建了土-结构相互作用体系的数值模拟模型,分析其在极限地震动下的动力响应,并将计算结果与考虑刚性基础的安全壳结构响应数据进行对比。结果表明:核电站CPR1000安全壳结构在极限安全地震动下仍能保持良好的密闭性。考虑土-结构相互作用后分析所得安全壳结构受到的应力、加速度峰值和相对位移均有所增大,使用刚性地基模型要偏于危险。     

Frequency-independent impedances of soil-structure systems in horizontal and rocking modes

The frequency-independent foundation impedances, commonly used in soil-structure dynamic interaction problems, are developed for a circular footing resting on a homogeneous halfspace. As they ignore the structure attached to the foundation, the error introduced in the structural response may be 50 per cent or more in the neighbourhood of the fundamental frequency of the soil-structure system. The present study proposes a new method developed for most dynamic soil-structure interaction problems. The key idea is to retain for the frequency-independent impedances values computed for the fundamental frequency of the soil-structure system; thus these values include the dynamic characteristics of the whole soil-structure system and lead to a satisfactory approximation of the exact solution over a wide frequency range. The method is developed here for the horizontal and rocking modes of a structure with a circular base resting on a homogeneous halfspace. Numerical applications are given for a simple linear oscillator in order to make possible a thorough parametric study. The response of some idealized building-foundation systems to harmonic excitation or to a seismic input is next examined in order to illustrate the efficiency of the proposed model.     

Centrifugal modelling of dynamic soil-structure interaction

This paper presents a centrifuge model that is capable of realistically representing soil-structure systems subjected to earthquake-like excitation. The model is validated by performing (i) free field soil tests, (ii) dynamic soil-structure interaction tests and (iii) a numerical analysis of the experimental results. The free field experiments show that the simulated earthquake, which is generated by the hammer-exciter plate method, is similar in amplitude and frequency content to a real earthquake. The experiments also demonstrate that a confined soil sample can satisfactorily model a horizontal soil stratum of infinite lateral extent when the containment walls are lined with an absorptive material to attenuate wave reflections that would otherwise occur. Measurements of the acceleration at different locations on the free soil surface indicate that the surface motion is fairly uniform over a relatively large area. This is further confirmed by a comparison made between the measured free and scattered field motions for a surface foundation. Next, a series of soil-structure interaction tests are performed which examine the dependence of radiation damping on the natural frequencies of the structure relative to the fundamental frequency of the soil stratum. The experimental results are shown to be consistent with established theories. Finally, the experimental results are used to compute the stiffness and damping parameters of a two degree of freedom numerical model of the soil-structure system. The experimental parameters are shown to be in good agreement with calssical text book formulae. This study demonstrates that the centrifuge model consistently behaves as expected for simple, but realistic, dynamic soil and soil-structure systems, and can, therefore, be used with confidence to examine more complicated systems that are not yet fully understood.     

土-桩-钢结构相互作用体系的振动台模型试验

本项试验是研究土-结构相互作用对结构TLD减震控制影响的系列振动台模型试验的组成部分,主要目的是提供相应的对比试验数据。在这组试验中,突出的问题是TLD、上部被控结构和土层三个子系统模型基频间的协调。为了尽可能降低土层模型基频,文中采用了一种具有低剪切波速特性的土层模拟介质。最后,通过土-桩-钢结构系统的振动台模型试验,研究了土-结构相互作用对钢结构动力特性和地震反应的影响。     

低频激振器楼面激振试验研究

本文对一座六层双向单跨的1:4钢框架模型进行土槽中低频激振器楼面激振试验,根据牛顿第二定律和作用力与反作用力原理,将激振器输出的信号转化为作用在结构上的动力作用,研究上部动力荷载作用下土与结构的动力相互作用。对采集的信号进行频谱分析和时域分析,研究体系的基频和模型顶层的加速度和位移反应,并与刚性地基上的结果进行比较。结果表明,土与结构的相互作用能有效降低体系的动力反应。考虑SSI效应时,大刚度结构对顶层加速度的削弱及位移的放大可能小于小刚度结构,这种削弱作用的大小主要是由结构的刚重比来决定。     

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。     

结构-地基相互作用体系的动力相似关系研究

模型试验的动力相似理论是结构试验技术中的一个重要的基础性研究课题。本文设计实现了缩比为1／20和1／10的结构－地基相互作用体系的振动台模型试验，通过对两个模型的试验结果的对比研究。对结构－地基相互作用体系的动力相似关系进行了初步探讨。按照本文的动力模型的设计施工及试验原则进行的模型体系的振动台试验，在结构－地基动力相互作用体系的主要特征和规律方面有较好的相似性。在激励较小阶段和激励较大阶段，两个缩尺模型在动力特性、加速度反应时程以及上部结构的应变反应等方面具有较好的相似关系；但在试验的中间阶段，两者存在明显的差异，影响两个缩尺模型在试验中间阶段的相似性的主要原因是土体在模拟地震激励下的非线性发展程度的差异。     

地铁车站结构大型振动台试验与数值模拟的比较研究

根据可液化土层上土-地铁车站结构动力相互作用大型振动台模型试验结果,以软件ABAQUS为平台,将地基土-地铁车站结构体系视为平面应变问题,采用记忆型嵌套面黏塑性动力本构模型模拟土体的动力特性,采用混凝土动塑性损伤模型模拟车站结构混凝土的动力特性,建立了土-地铁车站结构非线性动力相互作用的有限元分析模型,对各种试验工况下地基土-地铁车站结构体系的地震反应进行了数值模拟,并与试验结果进行了对比,结果表明:数值模拟与振动台模型试验结果基本一致,体现出了相似的规律性,相互印证了计算分析的力学建模和振动台试验结果的正确性。