高层建筑结构-地基动力相互作用效果的振动台试验对比研究

本文通过对高层建筑结构－地基动力相互作用体系和刚性地基上高层建筑结构的振动台模型试验成果的对比分析，研究了相互作用对结构动力特性和地震反应的影响。结果－地基动力相互作用使结构频率减小，阻尼增大；相互作用体系的振型曲线与刚性地基上结构的振型曲线不同，基础处存在平动和转动；在地震动作用下考虑相互作用的结构加速度、层间剪力、弯矩以及应变通常比刚性地基上的情况小，而位移则比刚性地基上的情况大。     

通过群桩-土-偏心结构振动台试验分析群桩与地基的响应

通过对群桩-土-偏心结构相互作用体系振动台试验,分析了结构偏心效应对相互作用体系自振特性、地基振动和桩基变形的影响规律。试验结果表明:地基土的加入使得相互作用体系前两阶自振频率相差增大,平扭振动耦联程度降低,体系阻尼比明显增加;结构偏心效应增大了角桩的加速度响应,高出同深度边桩测点10～15%,桩身振动频率特性较场地土有明显差别;角桩变形幅度较边桩更为突出,桩长范围内角桩应变峰值始终大于边桩测点,两者相差在桩顶附近达到最大;桩间土承担了部分扭转效应,角桩较边桩应变增幅约为对应位置筏板位移增幅的一半;土的动力放大特性与以往研究规律相近,结构偏心效应对地基整体振动产生的影响不很明显;桩土界面动力响应与筏板平动位移时程相对应,且随深度的增加而逐步增大。     

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。     

土-结构动力相互作用及基础形式对超大型冷却塔结构地震反应的影响分析

采用ABAQUS有限元分析软件,分别对基于刚性地基假定的环板基础、考虑土-结构动力相互作用的环板基础和桩基础超大型冷却塔模型进行了模态分析、弹性和弹塑性时程分析,研究了土-结构动力相互作用和基础形式对超大型冷却塔结构动力特性和地震反应的影响。结果表明:当考虑相同阶数的振型时,刚性地基模型的振型参与质量系数最小。地震作用下,刚性地基模型和桩基础模型的加速度响应、支柱内力、塔壳混凝土主应力等一般比考虑土-结构动力相互作用的环板基础模型偏大,但塔顶水平位移偏小。土-结构动力相互作用比基础形式对冷却塔动力特性以及地震反应的影响更大,且二者对冷却塔竖向振动的影响比水平向大。三种模型计算所获得的冷却塔薄弱部位均集中于支柱,且支柱最大侧移角相差不大。     

上部结构与地基相对刚度比对土-结构体系基频影响试验研究

本文进行了室内刚性地基上和土槽中1:4钢框架模型的顶部牵引释放试验。对采集的信号进行频谱分析,得到不同刚度时刚性地基上钢框架模型的基频和土槽中土-结构体系的基频。比较钢框架在土槽中的基频和在刚性地基上的基频,发现土-结构动力相互作用(SSI)使土-结构体系基频降低,基频折减率最大为29.37%,且基频折减率与上部结构与地基相对刚度比有关,相对刚度比越大,折减率越大。根据试验结果得出钢框架模型基频折减率随上部结构与地基相对刚度比变化拟合公式。本文试验结果还表明即使在Ⅱ类场地上的结构,当上部结构与地基刚度比较大时有必要考虑土-结构动力相互作用。     

考虑土-结构相互作用的空间网格结构地震响应分析

阐述了人工黏弹性边界的机理及实现地震动输入的方法,采用MATLAB软件编制了等效节点荷载计算程序。通过算例分析将理论解与数值解进行对比,验证了程序的正确性。利用ABAQUS软件建立了位于典型软土场地的正放四角锥网架土-结构相互作用体系数值仿真模型,分析了考虑土-结构相互作用后对结构动力特性的影响,并且对土-结构相互作用体系进行了动力时程分析,得到了网架结构的加速度响应、相对位移和杆件内力的分布规律,并与刚性地基假定下结构的响应进行了对比和分析。结果表明,考虑土-结构相互作用后分析所得结构峰值加速度、相对位移和杆件内力等性能指标均有显著增大。不考虑土-结构相互作用可能会低估软土场地上的空间网格结构的地震响应。进行软土场地上空间网格结构工程抗震分析时应考虑土-结构相互作用对结构地震响应的影响。     

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。     

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。     

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-结构相互作用的西安钟楼地震反应分析

为探讨土-结构相互作用对西安钟楼地震反应的影响,建立了钟楼上部木结构-台基-地基三维有限元模型,基于粘-弹性人工边界条件,利用振型分解反应谱法进行了地震反应分析。结果表明,考虑相互作用木结构2层相对位移反应增大了2.12倍,台基相对于地面间的相对位移增大了44%。因此,在对钟楼结构进行地震反应分析时必须考虑土-结构相互作用。     

A SIMPLIFIED METHOD FOR PREDICTION OF KINEMATIC SOIL–FOUNDATION INTERACTION EFFECTS ON PEAK HORIZONTAL ACCELERATION OF A RIGID FOUNDATION

The kinematic soil–foundation interaction changes the free field ground motion to a different motion at the foundation of a structure. This interaction effect may be expressed by the ratio of the peak horizontal acceleration of a rigid and relatively lightweight foundation to the peak horizontal acceleration at the ground surface in the free field. It is found that the interaction effect can be defined by a simple function of the ratio of the peak horizontal ground velocity and ground acceleration in the free field, the length of the foundation and the shear wave velocity in the soil. Predictive equations for the kinematic soil foundation effect are derived using 350 strong motion records generated by 114 earthquakes world-wide. At the same time, an attenuation relationship is derived for the ratio of the peak horizontal ground velocity and acceleration from the same set of data. Ten case histories are studied; the interaction effects are calculated by using the predictive equations and then compared with measured field values. The results of the comparison illustrate the degree of predictive capability of the method when the foundation mass and the inertial soil–foundation interaction are not considered.     

强震作用下桩-土-断层非线性动力相互作用特性

为研究强震区跨断层桥梁桩基非线性动力相互作用特性,依托海文大桥实体工程,利用MIDAS/GTS有限元软件,建立了桩-土-断层相互作用模型,分析0.20~0.60g地震动强度下断层上下盘桩基加速度响应、桩顶水平位移、桩身弯矩以及桩身剪力响应情况。结果表明:覆盖层土体对桩身加速度放大作用明显,且随着输入地震动强度的增大,放大作用逐渐减弱;覆盖层对地震波的滤波作用显著,随着输入地震动强度的增大,滤波作用逐渐减弱;上盘桩基达到桩顶峰值加速度的时刻滞后于下盘;随着输入地震动强度的增大,上、下盘桩的桩顶产生的永久位移和水平位移峰值逐渐变大,上盘桩顶产生的永久位移和桩顶峰值位移均大于下盘,产生显著的"上盘效应";不同强度地震动作用下,断层上、下盘桩基弯矩均在上部土层界面处达到峰值,剪力均在基岩面处达到峰值,下盘桩基弯矩和剪力峰值大于上盘桩基,呈现出显著的"下盘效应"。在桥梁桩基抗震设计时,应着重考虑断层上、下盘桩基的差异和不同强度地震作用对桩基承载特性的影响。     

地震作用下液化场地变截面桩与等截面桩的动力响应对比分析

为研究液化场地变截面桩的动力响应,依托翔安大桥实体工程,采用有限元软件,建立变截面桩－土和等截面桩－土相互作用模型,模拟液化场地变截面桩及等截面桩在地震作用下的振动反应,分析在地震作用下变截面位置不同的变截面桩及等截面桩的动力响应特征。结果表明:地震作用下,液化土层不同深度处的孔压比变化规律基本相同,均从0逐渐增大最后趋于稳定;变截面桩的桩身加速度和桩身位移均大于等截面桩,且桩顶加速度峰值出现的时刻均滞后于桩底;在饱和砂土层处,桩身位移变化趋势均较陡;变截面桩的桩身弯矩峰值和桩身剪力峰值均大于等截面桩,且其峰值出现的位置较等截面桩深;地震作用下,变截面桩及等截面桩的弯矩与剪力均在安全范围之内;液化场地变截面梁桥桩基础抗震设计时,应着重分析液化土层与非液化土层分界面以下的抗弯能力设计及液化土层中抗剪能力设计。     

横向非一致地震激励下埋地管道的动力响应分析

为研究埋地管道在地震激励时管-土相互作用的动力响应问题,研发双向层状剪切连续体模型土箱,建立管G土相互作用有限元分析模型,对横向非一致地震激励下埋地管道地震响应进行数值模拟分析,并与试验结果进行对比.结果表明:数值模拟和振动台试验结果中的管道应变峰值均呈现出沿管道中间大两端小的现象,管道中间应变峰值最小达到两端的1．6倍左右;管道加速度、 土体加速度峰值均随着加载等级的提高而增大,涨幅愈加明显,多峰频率由0~10Hz逐渐向10~ 20Hz频域扩散,管道运动更为自由;土体位移随着加载等级的提高呈现逐级增大的现象,在加载等级增加到0．4g 时位移曲线斜率减小,土体非线性表现明显.数值模拟和振动台试验对比分析的结论表明数值模拟分析的合理性和试验结果的可靠性,为研究横向非一致激励对埋地管道地震响应的影响提供了依据.     

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。     

循环荷载下液化对土层水平往返变形的影响

采用多工况振动台实验研究液化对土层水平往返变形的影响.以干砂实验为参照,分析孔压增长与土层加速度和土层往返变形之间的关系.结果表明:液化将引起土表加速度显著降低,减小惯性力传递,但同时会引起土层往返剪应变明显增大.对往返变形而言,液化土层往返剪应变就可达到1%～5%的大变形状态,且液化土层往返剪应变沿深度呈下大上小分布.土层中孔压比0.4～0.8是往返变形出现放大的敏感段,在孔压比0.8左右而不是在1.0达到最大.作为其结果,土层液化将对刚性上部结构振动起减震作用,但同时增大的往返剪应变也易导致基础和地下结构破坏,特别是对液化层与下部非液化层交界处的构件更敏感.     

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。     

Displacement solutions for dynamic loads in transversely-isotropic stratified media

Solutions for the displacements caused by dynamic loads in a viscoelastic transversely-isotropic medium are derived. The medium extends horizontally to infinity, but is bounded below by a rigid base. Stratification of the medium presents no difficulties. The medium is discretized in the vertical direction only; discretization in the horizontal direction is obviated by use of analytical solutions to the equations of motion. Application of the displacement solutions to soil-structure interaction is illustrated. A soil flexibility matrix (and hence, a stiffness matrix) for a surface foundation follows directly from the displacement solutions. A simple modification to obtain the soil stiffness for an embedded foundation of arbitrary geometry is described. Stiffnesses of rigid surface and embedded foundations are computed and compared with previously published results. In addition, the dynamic stiffness of a rigid surface foundation on a soil layer with linearly increasing shear modulus is compared to that for a homogeneous soil layer. A reduction in radiation damping is found to result from the inhomogeneity.     

基础类型对框架结构及场地土地震响应影响试验研究

本文设计独立基础框架和整体箱型基础框架结构模型,基于试验数据的对比分析,探讨基础类型与地震动特性对场地土以及结构自身地震响应的影响。试验结果及分析表明:地表结构的存在总体上是放大了地表加速度响应,放大最大幅度达到了40%,影响范围可达3倍的结构跨度,且具有一定埋深的箱型基础的影响大于浅埋独立基础。由于土体对独立基础的约束相对较弱,导致独立基础结构模型的加速度响应总体上大于箱型基础的;独立基础结构模型可能发生摇摆运动导致结构基础竖向响应的频谱特性含有较多的高频成分。另外,地震动特性对结构响应也较显著,其中脉冲地震动NR波的影响最为显著。