第四章 土-结构相互作用..98页PPT

-----材料系统分类 GBJ145-90 ------以扰动土作为研究对象
3、中国土的工程分类:
1）按堆积年代分类
老堆积土: 晚更新世及其以前堆积的土, 超 固结状态, 强度高, 1.8 mya to 10,000 一般堆积土: 第四纪全新世(文化期以堆积 的土, 固结-欠固结,10,000 years 新近堆积土: 文化期以来堆积的土, 欠压密, 强度低
低压缩性 中压缩性 高压缩性
压缩指数Cc：压缩曲线半对数坐标系（e – log p）
中，后段 直线部分的斜率. (见p90图4-31)
土的压缩指数
3）压缩模量Es:
土在完全侧限条件下的竖向附加压应力与相应的应 变增量之比。
є ：应变（土的压缩量）； p：土样所受到的压力
E p p2p1 1e1
5）按颗粒级配和塑性指数分类
➢ 碎石土：
———粒径大于2mm的颗粒含量超过全重的50%的土。
➢ 砂土： ——粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重的50%，粒径
大于0.075mm的颗粒含量超过全重的50%的土。
➢ 粉土： ——粒径大于0.075mm的颗粒含量不 超过全重的50%的
土，且塑性指数小于等于10 的土。
膨胀土试验
3）膨胀土工程特性
——建筑物的变形破坏特征：
➢破坏成群出现，尤其在气候强烈变化之后， 低、轻房屋最易破坏，房屋角端裂缝严重。
➢建筑物裂缝具有随季节变化而往复伸缩的性 质，山墙、内墙体多成“倒八字”形
——海水或洋流搬运、沉积的堆积物
7）冰碛土：
——冰川作用搬运、沉积的堆积物
8）冰水积土：
——冰水搬运、沉积的堆积物
9）风积土：
——风搬运、沉积的堆积物

土与结构相互作用在建筑结构的设计计算中，通常是将上部结构、地基和基础三者分开来考虑，作为彼此离散的独立结构单元进行静力平衡分析计算。

在上部结构的设计计算中，不考虑基础刚度的影响；而在设计基础时，也未考虑上部结构的刚度，只计算作用在基础顶面的荷载；在验算地基承载力和进行地基沉降计算时，亦忽略了基础的刚度，而将基底反力简化为直线分布，并视其为柔性荷载，反向施加于地基。

这种设计方法在50年前大型、高层建筑没有出现的情况下，可以说是适用的。

但随着高层、大型、复杂建筑的修建，地基相对上部结构来说相互柔性，因而，地基刚性的假设不再成立，在设计结构时，就必须考虑地基与上部结构的相互作用问题，把二者作为一个整体进行耦合分析。

土与结构相互作用理论研究已经有相当丰富的经验，已取得了一些成果。

土与结构相互作用分为静相互作用和动相互作用。

土与结构静力相互作用理论主要有：Meyerhof G G博士提出估算框架等效刚度的公式以考虑共同作用，在计算箱型基础土与结构共同作用时，按箱基抗弯刚度与上部框架结构考虑柱影响的有效刚度比例来分配总弯矩。

Cheung Y K应用有限元研究地基基础的共同作用，为共同作用的发展提出了另一发展方向。

Haddain M J利用子结构分析方法研究地基基础与上部结构的共同作用，为利用有限元分析高层建筑结构打下基础。

土与结构动力相互作用理论：Lsymer和Richart 提出了解决土与结构动力共同作用的集中参数法，为解决土与结构动力共同作用的计算奠定了基础。

Paramelee 率先对土和结构系统提出了比较合理的力学模型：将地基理想化为半无限空间，上部结构理想化为带刚性底板的单自由度刚架，其刚性底板搁置在地基土表面。

这一力学模型的提出，标志着土与结构动力共同作用的研究进入深化阶段。

Chopra ，Perumalswami 在分析大坝与基础在地震作用下的共同作用时提出了子结构法，使当时的数值计算分析方法能够在复杂体系中得以有效应用。

上部结构
图 ( c) 能够完全考虑地基土层与 上部结构之间的相互作用。 因为在这个体系中, 将地基土层 与上部结构作为一个整体来考虑 了。
土层
输入 基岩 （c）考虑土-结相互作用
动力相互作用
静 力 土 — 结 相 互 作 用 运 动 动 力 惯 性 如由上部结构-桩筏基-土构成的体系, 考 虑桩侧土的摩擦力、筏板底面土体的弹 性支承力对抵抗竖向静荷载的贡献问题 属静力相互作用问题。
有限元模型
模型3
子结构模型
该方法将上部结构与地基在基础面处分为两个子结 构, 分别研究其反应, 利用边界连续条件将两个子结 构在它们的接触面处联系起来。 早期对土- 结动力相互作用的研究大多采用此法, 目前该方法已能应用于三维地震动输入下的结构 地震反应分析。
子结构模型
子结构模型在频域可方便地用于阻抗函数法, 处理 有限元模型 线性地震反应分析; 在时域可用于线性和非线性地 震反应分析。该方法可节省一半的计算机内存空间, 计算速度较前述有限元法明显提高。但其输入数据 准备工作量仍较大。
第三阶段：深化发展阶段
近年来，非线性分析已经成为研究的主流方向，在继续 进行各种理论分析方法研究的同时，模型试验研究和原 型测试的分析研究也日益受到各国学者的关注，并有可 能成为土-结构动力相互作用研究的新一轮热点。
发展趋势
(1) 计算模型的深入研究
(2)非线性土-结构动力相互作用
(3)大比例尺模型的现场试验的强震观测
有限元模型
上部结构为梁元组成的框架, 质量集中在各个节点。 结构下地基土部分采用平面应变单元, 其左右两侧 用能量传递边界反应地震能量向自由场地的逸散 效果; 面外用附加粘性边界模拟场地土的三次元效 果, 地面为刚性边界。 地震动可在自由场地任一深度处输入。将土单元 底部边界改用粘性边界( 日本: 奥田光男、T. K. Udaka、多田和美等) 可减少土层计算深度, 节省 计算单元。该模型适用于复杂的结构形式和场地 条件, 有利于处理不规则的场问题及非线性问题, 且有较好的解的稳定性和收敛性。但要求计算机 的容量大,消耗机时多, 输入数据准备工作量大。

●地震加速度通常情况下取沿地表的两个水平分量和垂直于地表的竖向分量。 ●地震仪 ：分别接受地震时地面的水平振动和垂直振动 。
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地震波选取
●根据场地条件，通过调整实测地震波的幅值和时间尺度修正其 频谱。
地震加速度振幅的缩放：不改变频谱特性和持续时间。 地震波卓越周期调整： ●用实测地震波作为输入。 ●基于规范设计反应谱合成人工地震波。场地地震危险性分析，
汶川地震记录
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地震动输入方式： 地震动水平输入 垂直向输入
●目前规范规定垂直输入为水平输入的2/3。
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地震动输入方式的比较
土层地震 反应分析
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设计地震动峰值加速度确定
●中国地震动参数区划图确定。 ●工程场地地震危险性分析中超越概率所提供的峰值加速度。
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地震波
纵波(P波) ：速度最大最先达到。 振动方向与传播方向一致。 引起地面上下颠簸振动 。
Duncan-Chang模型
超弹性模型
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■每一次循环加载都有可恢复 的弹性变形和不可恢复的塑性 变形（永久变形）
■单调加载曲线是循环加载所 对应的骨干曲线。
Duncan-Chang模型 单调加载
循环加载
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3.弹塑性模型——双曲线模型
双曲线作为土的应力应变弹塑性模型的主干线（骨干曲线）它是对称于原点 的
给出不同超越概率下的峰值加速度作为基底输入的加速度。
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人工地震波的合成
Ⅳ类场地
Ⅲ类场地
Ⅱ类场地
Ⅰ类场地
＝0.05
＝0.1 ＝0.15
＝0.20
规范中四类场地标准加速度反应谱 曲线（烈度8度，设计地震动为1组）
同一场地不同阻尼比反应谱曲线 （烈度8度，二类场地）