考虑土与结构相互作用效应的结构减震控制大型振动台模型试验研究

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：ＳＳＩ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下设计的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。本文还探讨了在柔性地基条件下影响结构减震控制效果的一些因素。     

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。     

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。     

SSI效应对粘弹性阻尼结构减震效果的影响分析

本文以一单跨7层框架结构为研究对象,对不同场地和地震波输入条件下的粘弹性阻尼结构进行了二维有限元时程分析,探讨了SSI（土-结构动力相互作用）效应对粘弹性阻尼结构减震效果的影响。分析结果表明：①在硬土和稍硬土地基条件下,SSI效应明显降低了结构的楼层位移峰值,若在抗震设计中对客观存在的SSI效应加以考虑,设置较少数量的阻尼器（与刚性地基假定条件下确定的阻尼器数量相比）就能使结构的实际地震位移反应满足基于刚性地基假定的地震位移控制目标;②粘弹性阻尼结构的减震效果与场地条件、输入地震动特性密切相关;③与刚性地基相比,SSI效应使粘弹性阻尼结构的减震效果明显降低,且地基越软,降低幅度越大。因此,在实际的工程设计中,应当充分考虑SSI效应,对粘弹性阻尼结构的减震控制效果进行合理的评价,并针对不同的场地条件选用合适的阻尼器类型和性能参数,才有可能达到预期的减震控制效果。     

TLD控制的钢结构振动台模型试验研究

本文通过钢结构的振动台模型试验,研究了在刚性地基条件下矩形调谐流体阻尼器(TLD)对结构地震反应的减震机理和减震效果,为进一步研究土-结构相互作用对结构TLD减震控制效率影响的振动台模型试验提供对比数据。试验结果表明,在水箱中设置铁丝网有助于提高TLD的减震效率,地震动的频谱特性和峰值加速度大小对TLD的减震效率有重要影响。     

深软场地上考虑土-结构相互作用的斜拉桥被动控制分析

结合某一工程,采用软土粘塑性动力本构模型,在合理模拟深软场地非线性基础上讨论土-结构动力相互作用对斜拉桥被动控制效果的影响.利用软件ABAQUS建立了深软场地-桩基-斜拉桥三维有限元模型,作为对比,建立了深软场地上不考虑土-结构动力相互作用的常规刚性地基模型,通过时程分析法计算斜拉桥地震反应.计算结果表明:深软场地上考虑土-结构动力相互作用后,斜拉桥被动控制效果下降;在刚性地基上取得良好减震效果的被动控制手段若照搬至柔性地基上,可能不仅减震效果不好,还会给桥梁结构增加内力负担.     

基于土-结构体系对建筑结构响应的减震效果评估

提出一种基于土-结构体系地震记录的土-结构相互作用(SSI)的减震评估方法。该方法采用简化的SSI模型,通过系统辨识确定模型参数。将上部建筑结构地震反应的SSI减震效应分解为惯性相互作用和运动相互作用,同时还提出由惯性相互作用和运动相互作用单独降低结构响应的方法。将2011年东北地震太平洋沿岸期间两栋中层建筑用此方法进行分析,结果表明:当建筑物结构响应进入非弹性范围时,惯性相互作用的减震效果降低。     

主次结构减震特性研究

本文探讨了主次结构的减震特性以及土－结构相互作用对减震效果的影响，在一定条件下，次结构对主结构有减震作用，其减震效果与主次结构的刚度比和质量比、次结构的阻尼和输入地震动的特性有关，对于多层建筑，次结构既可能减小主结构的加速度，也可能减小其相对位移，对于高层建筑、则主要是减小主结构的相对位移，对于中软至弱地基条件，ＳＳＩ效应明显降低高层建筑的加速度反应；对于中等地基条件，ＳＳＩ效应显著降低次结构对高     

按刚性地基结构设计AMD控制器控制SSI体系的适用性

本文首先分析了基于刚性地基结构体系设计的AMD控制器控制SSI体系地震反应的基本原理和方法。然后,采用LQR方法通过仿真分析对基于刚性地基结构体系设计的AMD控制器控制SSI体系的适用性进行了研究,结果表明当SSI体系的基频与刚性地基结构体系的基频比ωs/ωr大于0.9时控制效率基本和考虑SSI效应控制器的控制效果接近,当ωs/ωr值小于0.4的时候,控制效率降低比较严重,对SSI体系不能起到控制作用。接着,对4种控制器及三种土体条件SSI体系进行了AMD主动控制的振动台模型试验,试验结果表明当土体相对较硬时基于刚性地基结构体系设计的AMD控制器可以控制SSI体系的反应,但土体相对较软时这种AMD控制器不能控制SSI体系的反应,甚至放大结构的反应。最后,设计和完成了上部两层框架SSI体系地震反应AMD控制的小型振动台试验,试验结果进一步验证了仿真分析的结论。     

土-结构相互作用效应对结构基底地震动影响的试验研究

利用土与结构动力相互作用振动台模型试验数据,通过各种试验工况下土层表面与基础表面加速度反应的比较,深入探讨了土与结构动力相互作用效应对高层建筑结构基底地震动的影响。从输入地震动频谱特性、输入地震动强度水平和上部结构动力特性3个方面详细分析了与SSI效应对高层建筑基底震动影响程度有关的一些因素。结果表明：SSI效应对高层建筑基底地震动的影响与输入地震波的动力特性有很大关系。在地震动的频谱成分方面,SSI效应对高层建筑基底地震动的影响主要体现为土层表面和基础表面在与输入地震动卓越频率相近处的频谱成分有较大差异;SSI效应对高层建筑基底地震动的影响程度随着输入加速度峰值水平的增加而减小;在某一特定地震波作用下,当上部结构的振动频率与地震地面运动的卓越频率相近时,SSI效应对高层建筑基底地震动的影响较为强烈。     

深厚软弱地基上桩箱基础高层建筑地震反应特性数值模拟

根据土体—结构体系整体分析方法，以某26层桩箱基础框架—剪力墙高层建筑为例，探讨了深厚软弱地基与输入地震动特性对桩箱基础高层建筑地震反应的影响。通过数值模拟，得到以下结论：地震作用下高层建筑的地震反应与建筑物的地基条件与输入的振动特性等因素有关。一般地，SSI效应使上部结构的绝对加速度反应减小，但当输入加速度峰值较低时，建筑物部分楼层的绝对加速度反应有可能增大。在给定的输入地震动作用下，SSI效应使上部结构的楼层相对位移增大，但也可能存在减小的情况。分析结果表明：SSI效应对深厚软弱地基上桩箱基础高层建筑地震反应有很大的影响，在此类建筑的抗震分析中考虑SSI效应的影响是必要的。     

土-桩-钢结构-TLD系统振动台模型试验研究

通过系列振动台模型试验,研究土-结构相互作用对结构TLD减震控制影响。文中首先提出试验模型设计中应考虑的几个主要问题及解决方法,然后介绍土-桩基础-钢结构-TLD相互作用体系的试验成果,分析TLD的减震效果,最后与刚性地基上钢结构TLD减震试验结果相比较,揭示土-结构相互作用对TLD减震效率的影响特点。试验结果表明:土-结构相互作用使得TLD减震效率降低,这一削减作用受到输入地震动的频谱特性和强度的影响。因此,对于建在土层场地上的结构进行TLD减震设计时,应充分重视工程场地条件和地震动特性等实际情况。     

考虑SSI效应的层间隔震结构在三维地震下的响应研究

为探讨三维地震下层间隔震结构考虑土-结构相互作用(SSI效应)时的地震响应,建立了考虑SSI效应的层间隔震结构模型,分别输入一维、二维、三维地震动,比较层间隔震结构在不同维度地震波输入工况下的地震响应。针对三维地震动输入下隔震支座拉压应力超限问题,添加三维隔震装置,并与传统水平隔震结构地震响应结果进行对比分析。结果表明:三维地震动输入下的结构地震响应大于一维和二维;加入三维隔震支座后,竖向地震动被有效隔离,结构地震响应减小,优化了支座受力,支座拉压破坏问题得以解决,地基土体应力小于设置传统水平隔震支座下的土体应力,对地基和基础设计有利。     

近断层脉冲型地震动作用下高层摩擦摆基础隔震结构的减震性能研究

近断层地震动中长周期、短持时和高能量的加速度脉冲将对高层摩擦摆基础隔震结构的减震性能产生不利影响,考虑土-结构相互作用（SSI效应）后的隔震结构将产生动力耦合效应,可能进一步放大隔震结构地震响应。为此,通过一幢框架-核心筒高层摩擦摆基础隔震结构的非线性地震响应分析,考察近断层脉冲型地震动作用下框架-核心筒摩擦摆基础隔震结构的层间位移角、楼层加速度和隔震层变形等响应规律,揭示隔震体系的损伤机理。基于集总参数SR （sway-rocking）模型,分析不同场地类别与不同地震动类型对隔震体系动力响应影响规律。结果表明:高层摩擦摆基础隔震结构在近断层脉冲型地震动作用下的减震效果相比普通地震动减震效果变差,楼层剪力、层间位移角和隔震层变形等超越普通地震动作用下的1.5倍;对于Ⅲ和Ⅳ类场地类别,考虑SSI效应使隔震结构的地震响应进一步放大,弹塑性层间位移角随着土质变软增大尤为明显。     

软弱场地上考虑SSI效应的隔震结构水平向减震系数研究

依据建筑抗震设计规范反应谱曲线,同时考虑SSI效应对隔震结构及非隔震结构水平地震作用的影响,建立了软弱场地上考虑SSI效应的隔震结构水平向减震系数的简化算法。在此基础上给出了软弱场地上考虑SSI效应的隔震结构计算流程,深入研究了考虑SSI效应的隔震结构水平向减震系数在不同影响参数下的变化规律。通过参数研究发现:软弱场地条件下多层隔震结构考虑SSI效应的的水平向减震系数随波速参数、周期比和高宽比的增大而增大,相应的隔震效果越差;而软弱场地条件下高层隔震结构在达到一定的周期比时,考虑SSI效应的水平向减震系数随波速参数的增大而增大,但增幅较小,考虑SSI效应的水平向减震系数随高宽比的增大而减小。研究表明:软弱场地条件下隔震结构经过合理的设计,水平向减震系数可达到预期值,隔震结构能取得较理想的隔震效果。     

考虑土-结构相互作用和岩土参数不确定性的核电厂结构地震响应分析

针对核电厂结构,在考虑土-结构相互作用(SSI)的情况下进行随机地震反应分析,探讨地基岩土参数的不确定性对反应堆厂房楼层反应谱(FRS)的影响。运用ANSYS软件模块建立核电厂(NPP)结构有限元模型,通过设置边界弹簧单元和阻尼装置来考虑SSI效应;并且通过设置具有概率意义的弹簧刚度和阻尼系数,来模拟土特性参数的不确定性。随机响应分析与确定性分析的结果对比,揭示了岩性地基条件下SSI效应对核电厂FRS的影响以及地基岩土参数不确定性对FRS的影响程度。研究表明,在岩性地基条件下,亦不应忽略SSI效应;考虑SSI效应的随机分析模型同确定性模型相比,二者的分析结果较为接近,两方法都可用于NPP的FRS敏感性分析评估之中,并可进行相互比照。     

考虑SSI效应的15×10~4 m~3储罐基础隔震数值仿真分析

为考虑土与结构相互作用(SSI)对15×104m3大型立式储罐基础隔震效应的影响,采用弹簧-阻尼系统模拟地基土和隔震层,罐壁及底板采用壳单元,流体采用势流体单元,利用ADINA建立15×104m3储罐有限元模型,在峰值加速度0.2g El Centro波地震激励下,应用Newmark数值积分方法进行地震响应分析,结果表明:考虑SSI效应时,非隔震储罐的地震响应有所减小,而基础隔震时地震响应有放大效应。储罐抗震减震设计时,中软地基土上储罐从结构设计安全角度来说需要考虑土与结构的相互作用。     

土-风电塔-TMD相互作用系统减震效率研究

建立了可以考虑土-结构地震相互作用(SSI)的某1.5 MW风电塔的简化计算模型,塔身简化为考虑剪切变形的由多个平面欧拉梁单元组成的弯剪模型,地基与基础相互作用通过离散的弹簧和阻尼器模拟。利用该模型研究调谐质量阻尼器(TMD)在不同场地类别和地震动强度下对风电塔减震效率的影响,采用风电塔塔顶的峰值加速度减小率(PARR)和均方根加速度减小率(RARR)作为减震效率的评估指标。使用了3组人工地震动分别对应ASCE7-16中C、D和E三个场地等级的加速度反应谱,每组人工地震动由15个用SIMQKE人工生成的峰值加速度(PGA)为0.4 g的地震动组成,每个地震动按照PGA调幅从0.1 g增加到1g,考虑10种不同强度。结果表明,地震动强度越大,风电塔所处场地的土壤越软,则TMD的减震效率越低。     

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。     

考虑土与结构相互作用效应的非弹性结构主动抗震控制研究

本文以一幢六层框架结构为研究对象，分析了土与结构相互作用效应对脉冲发生器和锚索两种控制系统的主动抗震控制效果的影响。结果表明：脉冲控制比锚索控制更为有效：在软土地基条件下，ＳＳＩ效应有可能使结构主动锚索控制失效；与刚性地基假定的结果相比，ＳＳＩ效应将显著降低脉冲控制所需的控制力，地基越软，降低的幅度越大，可达１／３￣１／２；若结构抗震设计时设及ＳＳＩ效应的影响，则按刚性地基假定需设置的主动抗震控制