考虑土-结构动力相互作用效应的界限研究

开展了土-结构动力相互作用的模型试验,探讨了框架结构的近似有效基本周期,并研究了考虑相互作用效应的界限.模型试验中分别进行了刚性地基和柔性地基条件下的结构基本周期测试,并通过与理论计算结果的比较,验证了FEMA450中建议的有效基本周期计算方法能够有效预测土-结构相互作用效应的影响.利用FEMA450中建议的刚性地基上普通钢筋混凝土框架结构基本周期近似值的计算式,分别建立了明置基础、埋置基础的框架结构有效基本周期近似值的计算式,并以此分析了框架结构考虑相互作用的界限问题,提出了考虑埋置深度影响的合理界限.     

水平向不均匀土对箱基动力阻抗的影响

采用薄层元素法和有限单元法,建立了地基-箱形基础动力相互作用的三维分析模型,该模型可考虑箱形基础周围土的不均匀性影响.利用该模型,分析了水平方向不均匀土对箱形基础的水平和摇摆阻抗的影响.分析了水平方向不均匀土的厚度、剪切弹性模量以及材料阻尼比的影响.分析结果表明:水平方向不均匀土使得箱形基础的各种阻抗均降低,特别是阻抗的虚部.水平方向不均匀土对摇摆阻抗的影响较大.水平方向不均匀土的剪切弹性模量的影响较大而其材料阻尼的影响较小.随着水平方向不均匀土的厚度的增加和基础埋深的增加,其影响增大.     

埋置基础扭转振动的实用化计算与试验的对比

根据弹性半空间理论及基础振动试验和数值计算的最新成果,采用方程对等法推演出埋置块体基础扭转振动的实用化计算公式。在20 m×10 m×4 m土坑内采用摆锤分别对底面尺寸为0.5 m×0.5 m和1.0 m×0.5 m的埋置块体基础施加冲击荷载,使其发生扭转自由振动,并对其振动响应进行采集,将试验结果与采用实用化计算公式的计算结果进行了比较。该公式具有概念明确,计算简单的优点,对于任意形状,任意埋置状况的动力设备块体基础都适用,其结果对于结构工程的地震响应计算具有参考意义。     

固结压力相关的黏土动力特性模型研究及应用

对一种粉质黏土进行了不同固结压力下的循环单剪试验,得到了相应各固结压力下的动剪模量和阻尼比随动剪应变幅值非线性变化的 曲线和 曲线,并对其进行了归一化。试验结果表明,即使是归一化以后的动力特性曲线,仍然因固结压力不同而出现差异;固结压力越大, 曲线衰减越慢,而 曲线增加也越缓。通过建立最大动剪模量、最大阻尼比和参考剪应变与固结压力之间的试验关系式,建议了一种实用的固结压力相关的黏土动力特性模型。最后,通过算例表明,场地土体动力特性随固结压力而变化的特征不但会影响场地地震反应的幅值,而且将影响其频谱特性,且场地覆盖层厚度越大,影响越强烈。     

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。     

土-箱形基础-框架结构相互作用的顶部小幅激振试验研究

设计并完成了野外大比例(1∶2)土-箱形基础-框架结构相互作用系统顶部小幅激振试验。通过改变上部结构质量和基础侧限埋深,激振试验得到了同一基础不同上部结构质量与同一上部结构不同基础侧限埋深等5种工况下相互作用对系统自振频率及箱形基础阻抗函数的影响。由试验结果分析可知,当上部结构质量增加时,上部结构与土体间的相对刚度降低,相互作用对系统自振频率的影响减弱;同时由于上部结构和基础间惯性相互作用的影响,基础阻抗函数随上部结构质量的增加而增加。随着基础侧限埋深的减小,基础刚度降低,相互作用体现得更加明显。与理论结果相比,无侧限埋深基础的平动和转动基础阻抗值和理论值吻合较好。由于基础侧边回填土剪切模量小于基础底部土体剪切模量,所以同理论值相比试验得到的基础侧限埋深对基础阻抗影响系数相对较小。     

土-结构动力相互作用结构自振周期的研究

土与结构动力相互作用(简称SSI)存在于大多数的建筑物,在普通结构设计中,并没有考虑SSI,这和缺少一种简单有效的计算方法有关.通过调整结构的自振周期,可以很好地考虑SSI,实际情况是,一般的计算方法都偏于保守,计算结果与实测结果的误差离散性比较大.土是非线性很强的材料,结构振动过大,土容易进入非线性状态,使得计算变得复杂.找出由于土的非线性导致结构自振周期的增大的规律,对于实际工程很有意义.本文通过对刚性基础与土槽中柔性地基上的钢框架模型进行激振,分别测得上部结构在不同刚度以及不同激振加速度时的结构自振周期.并根据实验结果,拟合结构自振周期与激振加速度、上部结构与地基相对刚度比的关系.通过拟合后的公式对两个文献中的试验模型的自振周期进行计算,结果显示,本文拟合的公式能很好的考虑土的非线性,有效地减少简化模型计算与实测的差别.     

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。     

循环荷载下黏土应变积累积强化模型研究

循环加载历史是影响土的动力特性的一个重要因素。通过对一种原状粉质黏土进行高循环次数单剪试验,研究了黏土体应变随剪应变幅值及循环次数的变化规律,以及由于体应变的累积对黏土动力特性产生的影响。试验结果表明,黏土的体应变随着循环次数的增多和循环剪应变幅值的增大而增大,而土的动力特性则随着体应变的不断累积而出现强化现象,表现为动剪模量增加,阻尼比减小。对累积体应变与动剪模量、阻尼比之间的关系进行了研究,提出了相应的强化关系式。在常用的非线性模型基础上,通过引入动剪模量的强化系数和阻尼比的衰减系数,建立了一种能考虑循环应变历史影响的土动力模型。