桩-土-结构动力相互作用的分析模型与方法

针对柱－土－结构动力相互作用问题中桩的分析模型、群桩效率和整个体系的分析方法等问题总结了其发展现状，讨论了今后的发展趋势，并就有待深入研究的问题提出了作者的观点。     

基于子结构方法的土-结构动力相互作用半解析方法研究现状综述

寻求高效实用的力学模型和计算方法是土与基础动力相互作用效应在工程设计中得以考虑的关键。围绕3个问题对可以通过手算或自主编程解决土-基础-结构系统动力相互作用问题的半解析子结构法展开评述:（1）为何采用子结构法研究土与结构动力相互作用问题;（2）如何求解子结构法中作为关键参数的基础振动阻抗;（3）如何利用振动阻抗求解上部结构的动力响应。最后,结合实际工程问题探讨了在已有成果的基础上可进行深化和拓展的研究方向。     

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。     

考虑土骨架非线性的饱和土-结构相互作用分析

强地震作用下,饱和土体将进入非线性,有必要考虑非线性饱和土的地震响应以及非线性饱和土-结构相互作用问题。本文采用Biot饱和多孔介质模型,基于不规则加卸载准则的修正Davidenkov模型来描述近场区域内饱和土骨架的非线性特性,并采用集中质量显式有限元方法进行分析;远场区介质假定为线弹性饱和多孔介质,通过多次透射人工边界进行模拟;结构采用Newmark隐式时步积分方法进行分析。通过自编程序实现了非线性饱和土体的地震反应分析以及非线性饱和土-基础-结构相互作用分析。通过算例,对比分析了土体非线性对饱和土体、基础和结构反应的影响。     

结构-地基动力相互作用时域数值计算模型研究

完全在时域数值分析范畴内，本文对结构一地基动力相互作用系统运动方程进行了深入推导，给出了统一的基本表达形式，简化可获得目前应用的各类主要时域模型。其中，基于结构一地基交界面的位移协调条件及作用力与反作用力平衡方程，推导了动力相互作用分析子结构法模式的时域基本方程。从结构的一般动力平衡方程出发，推导了相互作用直接法模式的基本平衡方程，并基于有限元模型对两类模式间的等价性条件进行了理论验证。     

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。     

桩-土-结构相互作用对结构弹塑性变形特性的影响

在桩-土-结构弹塑性动力相互作用模型研究的基础上,设计了考虑场地类别、输入地震动等因素的基于相互作用模型的多层和高层钢筋混凝土框架结构算例,分析了桩-土-结构相互作用对结构弹塑性变形特性的影响,并与不考虑相互作用的结构底部固端模型的计算结果进行了对比。分析表明:相互作用对结构的弹塑性变形的影响不容忽视,考虑相互作用后梁柱塑性铰出现的程度降低;结构底部位移增加而顶部位移减小;薄弱层的层间位移可能增加而其余层的层间位移则减小。现行的结构弹塑性变形验算方法未考虑土-结构相互作用的做法的合理性值得进一步评判。     

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。     

高层建筑土-结构相互作用地震反应分析研究

土-结构相互作用是一个具有重大理论意义和工程应用价值的课题。在过去四十年的研究中,在理论和实践方面已取得重大进展,但仍存在许多有待进一步研究的重要问题,发展一种有效和实用的土-结构相互作用分析方法以及了解土-结构相互作用对结构地震反应的影响就是其中的两个问题。本文在国内外土-结构相互作用研究发展现状的基础上,以钢筋混凝土高层建筑为研究对象,进行了高层建筑土-结构相互作用地震反应分析研究,为重要个体高层建筑和一般高层建筑的土-结构相互作用地震反应分析提供了多种实用的分析手段,为认识土-结构相互作用对高层建筑地震反应的影响和抗震设计方法提供了依据。     

埋地管线-土横向动力相互作用等效弹簧系数解析解

基于一维柱面弹性波动理论,推导了埋地管线-土横向动力相互作用等效弹簧系数解析表达式,并对该表达式的影响因素,诸如频率(ω)、管线埋深(d)、管线半径(b)、场地波速(VP)、泊松比(μ)的影响程度进行了分析。分析结果表明,无量纲频率bω/VP取较小值时(<0.1),弹簧系数取值随着管线埋深与管线半径之比γ的增加而增大,但总是限制在2.0G～4.0G(G为土体剪切模量)之间,且泊松比对其影响很小,对于工程实际情况,弹簧系数可在该范围内取值。     

On the seismic performance of straight integral abutment bridges: From advanced numerical modelling to a practice-oriented analysis method

The seismic performance of integral abutment bridges (IABs) is affected by the interaction with the surrounding soil, and specifically by the development of interaction forces in the embankment-abutment and soil-piles systems. In principle, these effects could be evaluated by means of highly demanding numerical computations that, however, can be carried out only for detailed studies of specific cases. By contrast, a low-demanding analysis method is needed for a design-oriented assessment of the longitudinal seismic performance of IABs. To this purpose, the present paper describes a design technique in which the frequency- and amplitude-dependency of the soil-structure interaction is modelled in a simplified manner. Specifically, the method consists of a time-domain analysis of a simplified soil-bridge model, in which soil-structure interaction is simulated by means of distributed nonlinear springs connecting a free-field ground response analysis model to the structural system. The results of this simplified method are validated against the results of advanced numerical analyses, considering different seismic scenarios. In its present state of development, the proposed simplified nonlinear model can be used for an efficient evaluation of the longitudinal response of straight IABs and can constitute a starting point for a prospective generalisation to three-dimensional response.     

地下综合管廊土-结构接触面参数对地震动力响应的影响数值分析

为研究土-结构接触面参数对地下综合管廊地震动力响应特征的影响,建立动力有限元数值模型,模型边界采用激励侧固定边界、远离激励侧黏性边界、其余侧自由场边界的优化组合动力边界,土体本构采用HSS模型,接触面采用改进Goodman单元,动力荷载考虑三种情况(Rayleigh波的作用、底部激励了美国加利福尼亚Upland地震波以及前两者的共同作用),分别研究不同地震动输入、接触面折减系数的改变对综合管廊内力及加速度的影响。研究结果表明:在相同的折减系数条件下,与静力作用相比,动力作用下的结构内力明显增大,综合管廊设计时应考虑地震荷载作用下内力增大的情况;随着界面折减系数的增加,正弯矩极值减小,负弯矩极值增大,加速度峰值增大;在相同接触面折减系数条件下,底部地震波输入产生的结构内力极值显著高于仅有Rayleigh波输入的情况;考虑Rayleigh波和地震波共同作用条件下,引起的管廊结构内力极值与仅考虑底部地震波输入时的结构内力极值差异不大。研究成果可供地下综合管廊结构地震响应精细化数值模拟及抗震设计参考。     

基于自由场局部变形的地下结构抗震Pushover分析方法

对地下结构抗震Pushover分析方法进行了改进,采用自由场局部变形峰值作为目标位移,局部变形峰值时刻对应的土层水平加速度作为等效惯性加速度输入。给出了局部变形峰值和等效惯性加速度确定方式,详细介绍了基于自由场局部变形的地下结构抗震Pushover分析方法实施步骤、使用方法和功能特点。该方法更有针对性地考虑了强地震作用下不同埋深地下结构与土体的非线性特征以及两者之间的相互作用,通过分析变形和受力情况可以得到完整的能力曲线,更好地评估地下结构抗震性能。使用本文方法对3种埋深的地下结构进行计算,并与动力非线性分析结果进行对比研究。结果表明:本方法在计算稳定性和模拟精度方面优于基于自由场整体变形的Pushover方法;对于不同的输入地震波,能力曲线的吻合程度更高;在强震和罕遇地震情况下,对于深埋地下结构,计算结果略大于动力非线性结果,对实际工程而言更加安全。     

考虑SSI效应储油罐的子结构实验方法与数值模拟

提出了应用振动台子结构试验方法来研究考虑土-结构相互作用（SSI）效应储罐的抗震性能,该方法将土体简化为双自由度八参量集总参数模型进行模拟,储罐作为试验子结构应用振动台加载,两部分联机完成振动台子结构试验。该方法能完成大比例尺储罐试验,具有传统试验方法难以比拟的优势。然后,通过数值模拟分析了SSI效应对储罐动力响应的影响。分别研究了不同储液高度和不同地基刚度对储罐位移和加速度响应的影响。研究结果表明：考虑SSI效应时,罐体位移响应和加速度响应均有所减小,土质越软,效果越明显;随着储液高度的增高,位移、加速度反应呈现减小趋势。     

地铁地下结构在轴向传播剪切波作用下反应的简化计算方法

求解地铁地下结构的隧道-土体系统在沿轴向传播的剪切波作用下的反应一般使用常规的拟静力方法,该方法只能简单考虑系统的静力刚度特性而忽略了波的传播对于土体刚度的影响。通过动力有限元分析发现,此方法在某些情况下可能引起很大的误差。在研究了隧道-土体系统的动力相互作用机理的基础上,本文提出了一种对于此类动力反应问题的简化计算方法和相应的经验公式。本方法能够全面考虑隧道-土体系统的运动相互作用和惯性相互作用,通过与动力反应分析结果的对比发现,它具有令人满意的精度;由于采用了与传统拟静力方法相似的简单形式,这种方法容易在设计实践中得到应用。     

基础柔性对土-结构相互作用系统响应影响的一个解析解

采用波函数展开法,通过SH波入射均匀半空间中二维埋置半圆形刚柔复合基础-单质点模型,推导土-刚柔复合基础-上部结构动力相互作用的解析解,并验证解的正确性。研究表明:基础柔性对于系统响应峰值与系统频率有较大影响。考虑基础柔性后,上部结构相对响应峰值相比全刚性基础结果均有一定减小,且系统频率也会产生向低频偏移的现象。     

A simple model for structural control including soil–structure interaction effects

A simple model for the seismic response of a one-storey structure subjected to active control in the presence of soil–structure interaction effects is presented. The approach is based on the successive use of equivalent 1-DOF oscillators which account for the effects of control and soil–structure interaction. Simple expressions for these oscillators based on exact analytical solutions of the control equations and approximate solutions of the interaction equations are presented. The study includes an evaluation of the effects of soil–structure interaction on the seismic response of actively controlled structures in which the control gains have been determined with and without inclusion of soil–structure interaction effects. A simple procedure to include the interaction effects on the control gains is also presented. © 1998 John Wiley & Sons, Ltd.     

桩-土-结构相互作用弹塑性地震反应分析

采用动力有限元时程分析方法，以多高层框架结构为对象，研究了水平地震作用下桩-土-结构相互作用时上部结构弹塑性动力特性和规律。结果表明，弹塑性分析和弹性分析引起的结果有较大的差异；考虑弹塑性相互作用后柱的剪力、轴力和弯矩在不同的楼层有放大现象，按折减方法来考虑相互作用并非总是安全的，柱的剪力、轴力、弯矩和等效应力的折减系数沿楼层变化曲线不尽相同，应引起注意。     

结构地震响应分析新方法

本文通过对传统动力反应分析方法的总结,阐明了建立隐式和显式方法的一般思路及数学本质,提出了使用系统位移反应向量三阶导数的实用显式高阶积分方法,分析了该显式方法的精度和稳定性,并对建立更高阶隐式和显式方法以及方法的精度和稳定性作了初步讨论。结果表明,本文方法具有明显的优点。     

考虑土-结构相互作用的大跨度斜拉桥非线性地震反应分析

运用大型有限元通用软件ANSYS/LS-DYNA及其并行运算功能,进行了考虑土-结构相互作用的大跨度斜拉桥地震反应分析。考虑混凝土、土介质和悬索材料的非线性与考虑材料线弹性的计算结果比较表明,考虑材料非线性情况时,由于进入塑性阶段后的能量耗散,内力比考虑线性情况时小;而进入塑性阶段后,结构刚度变小,运动量要比考虑线性情况时大。