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考虑土_结构相互作用的高层建筑抗震分析_李培振

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土—结构动力相互作用文献综述

土—结构动力相互作用文献综述

土—结构相互作用地震反应研究的文献综述（长春工程学院2012级硕士研究生结构工程李斌）内容提要：大量的研究结果表明：考虑土与结构的相互作用后，一般来说，结构的地震荷载将减少，但将增加结构的位移和由P-Derta效应产生的附加力。

但土体的性质是复杂的，土与结构相互作用下，有时求得地震力反而会增大。

按传统的刚性地基假定计算出的地震荷载进行抗震设计并非总是偏于安全。

本文总结了部分研究者们对土—结构相互作用地震反应研究方面的内容，对学习结构设计有所帮助。

一、概述由于地基的索性和无限性。

使得按刚性地基假定计算出来的结构动力特性和动力反应与将地基和结构作为一个整体计算出来的结果有所不同；由于将地基与结构作为一个体系进行分析。

使得输入地震动的特性与刚性地基假定的也有所不同。

这些差别就是由土与结构动力相互作用引起的。

地基土与结构相互作用表现在两个方面,即地基运动的改变和结构动力特性的改变[1]。

中国地震局工程力学研究所的窦立军博士在研究土与结构相互作用时提出[2]：上部结构振动的反馈作用改变了地基运动的频谱组成,使接近建筑结构自振频率的分量获得加强。

同时,地基的加速度幅值也较邻近自由场地小。

而地基的柔性改变了上部结构物的动力特性:结构的基本周期得以延长,基本周期可延长10%—150%。

由于地基的无限性，使结构的振动能量部分通过波传播向无限地基发生散射，形成了能量幅射，相当于结构体系的阻尼增大。

同时，考虑土一结构动力相互作用的结构位移是由基础平移、基础转动和结构本身变形三部分组成的，与刚性地基假设计算结果相比，结构顶点位移一般都相应地增大。

结构刚度越大，场地越软，结构顶点的位移增大得越多。

影响土与结构相互作用效应的主要因素有：（1）入射地震波的特性和入射角度；（2）土的动力特性、土层的厚度及土层的排列顺序；（3）基础的形式及埋置深度；（4）基础的平面形状和抗弯刚度；（5）结构的动力特性和相对高度。

二、土与结构相互作用的研究现况进入70年代后，由于数值计算理论和计算机技术的发展，以及一些重大工程的相继修建，推动了土与结构动力相互作用问题研究的迅速发展。

高层建筑与桩土共同作用抗震性能

高层建筑与桩土共同作用抗震性能

高层建筑与桩土共同作用的抗震性能探讨摘要：地震作用的本质是土体-结构物在地震激励下产生的响应问题。

由于上覆土层对来自基岩的地震激励具有放大或过滤的双重效应，使得结构产生的地震响应具有不同的振动特性。

研究表明，对于地基地表反应或基岩地震动，根据上覆土层性质反演或正演得到土层中每点处的地震动，对基础或桩基础进行多点输入更为合理。

关键词：高层建筑，上部结构，共同作用，抗震一、结构模型某一钢筋混凝土框架-剪力墙结构，总高度31.5m，共10层，底层层高4.5m，2~10层层高为3m，柱网尺寸为6m×6m，承台板厚为800mm，采用柱下桩基，共12根桩，桩长17.5m。

柱网及剪力墙布置见图1。

以大型通用有限元分析软件ansys为平台，建立框架剪力墙上部结构-桩-土耦合有限元模型，以时域有限元方法进行框架剪力墙上部结构-桩-土耦合模型的水平地震响应分析。

场地土采用有限元模型，采用粘弹性人工边界模拟地震能量向远场的耗散效应，横向每3m划分一个单元，纵向每3m划分一个单元；框架梁、柱以及桩采用beam188单元模拟，梁、柱延长度方向每1.5m划分一个单元，桩沿长度方向每3m划分一个单元；楼板、剪力墙及承台板采用shell单元模拟，楼板、剪力墙以及承台板均沿边长每3m划分一个单元。

土-桩-框剪上部结构耦合有限元模型如图图2所示。

二、地震时程响应分析对土-桩-框架剪力墙上部结构耦合动力相互作用体系进行地震时程响应分析，输入三条天然地震动记录，分别为天津波、el-cento 波和汶川波，本文按基本烈度为7度对三条天然地震动进行峰值修正，修正后最大加速度值为122.625cm/s2。

不同地震动输入情况下，土-桩-框剪上部结构耦合系统的顶层加速度时程响应以及1、7层的位移时程响应分别见图3和图4。

同理分析并对比上部为框架结构可得到，当上部结构采用框架-剪力墙结构时，考虑相互作用与不考虑相互作用情况下的结构顶层峰值加速度响应差异较上部结构采用框架情况下要明显，由此可以推断，考虑相互作用与否对刚性较大的框架-剪力墙结构地震加速度响应的影响要比对刚性较小的框架结构显著。

考虑土-结构相互作用的大跨度空间结构抗震研究进展

考虑土-结构相互作用的大跨度空间结构抗震研究进展

考虑土-结构相互作用的大跨度空间结构抗震研究进展曾佳明;朱忠义;吕辉;张成明;李丹【期刊名称】《建筑科学与工程学报》【年(卷),期】2024(41)1【摘要】考虑土-结构相互作用(SSI)的大跨度空间结构抗震研究对于实现大跨度空间结构精确化分析,保障结构抗震安全性具有重要意义。

为了更好地应用已有大跨空间结构考虑土-结构相互作用的研究成果,分别对土-结构相互作用研究分析方法、框架结构SSI效应影响分析、地下-土-地上结构相互作用研究现状、大跨度空间结构与下部支承体系协同工作及考虑SSI对大跨度空间结构动力性能的影响等方面的研究成果进行了梳理。

结果表明:已有土-结构相互作用分析方法及计算模型对于大跨度空间结构的适用性有待商榷;框架结构SSI效应和大跨度空间结构与下部支承体系协同工作的研究相对成熟,其成果可供借鉴;带有大型复杂地下结构的大跨空间结构SSI效应显著;现有研究多以数值模拟为主,试验技术的发展对大跨空间结构土-结构相互作用抗震理论的验证至关重要;未来需要进一步研究实用的简化计算模型及分析方法、地下结构-土-大跨度空间结构体系、强震失效倒塌机理及减隔震研究、试验研究、参数分析、复杂效应耦合等。

【总页数】14页(P69-82)【作者】曾佳明;朱忠义;吕辉;张成明;李丹【作者单位】南昌航空大学土木建筑学院;南昌航空大学江西省装配式建筑与智能建造重点实验室;北京市建筑设计研究院有限公司【正文语种】中文【中图分类】TU311.3【相关文献】1.考虑上部结构-群桩-土相互作用的整体空间结构体系的动力分析2.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3.考虑土-独立基础-结构相互作用的钢筋混凝土框架结构抗震性能研究4.考虑土-结构相互作用的框架结构抗震性能分析5.考虑土与结构相互作用的钢筋混凝土框架子结构抗震性能试验研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

框支剪力墙土-结构共同作用的抗震性能分析

框支剪力墙土-结构共同作用的抗震性能分析

框支剪力墙土-结构共同作用的抗震性能分析
陆铁坚;单晓菲;蔡勇
【期刊名称】《铁道科学与工程学报》
【年(卷),期】2012(009)002
【摘要】采用有限元法对一框支剪力墙土-结构体系进行动力弹塑性时程分析.通过对计算模型的自振特性以及地震作用下的位移、层间位移角、等效刚度比和剪力等数据进行分析研究.研究结果表明:运用 ANSYS 建立框支剪力墙-土-结构共同作用模型对结构进行地震反应分析,能够真实地反映结构的抗震性能.转换层位置对结构自振周期影响较小；转换层附近的层间位移角和剪力均发生突变,且随转换层位置的提高而加剧；层间位移角较大值集中在结构中上部；框支柱剪力最大值发生在转换层中柱.建议抗震设计时,转换层位置可适当提高但不宜超过5层,等效侧向刚度比宜控制在0.8～1.3,除了底部框支柱加强外,还应该对中上部楼层采取减小层间位移的措施,对转换层中柱采取特殊加强.
【总页数】6页(P8-13)
【作者】陆铁坚;单晓菲;蔡勇
【作者单位】中南大学土木工程学院,湖南长沙 410075;中南大学土木工程学院,湖南长沙 410075;中南大学土木工程学院,湖南长沙 410075
【正文语种】中文
【中图分类】TU313;TU470+3
【相关文献】
1.高位转换框支剪力墙结构抗震性能分析研究 [J], 常鑫
2.桩-土共同作用下的高桩码头抗震性能分析 [J], 黄博;梁雨兰
3.带错层转换的框支剪力墙结构抗震性能分析 [J], 张晓将
4.某框支剪力墙高层结构设计及抗震性能分析 [J], Yang Shenyin;Chen Zhicheng
5.带个别框支剪力墙的超限结构抗震性能分析高层 [J], 谭彦
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

土与结构相互作用论文

土与结构相互作用论文

目录1前言 (3)1.1土与结构相互作用理论发展 (3)1.2土与结构相互作用研究意义 (5)2地基模型 (5)2.1线弹性地基模型 (5)2.1.1文克勒（Winkler）地基模型 (6)2.1.2双参数和三参数模型 (8)2.1.3弹性半空间地基模型 (12)2.1.4有限压缩层地基模型 (14)2.1.5改良的文克勒（Winkler）地基模型 (16)2.2非线性弹性地基模型 (19)2.3弹塑性地基模型 (21)2.4考虑时间变化的地基模型 (22)2.5本章小结 (23)3群桩承载力特性分析 (24)3.1荷载传递法 (24)3.2弹性理论法 (28)4桩筏基础实例分析 (34)4.1板厚对沉降的影响 (35)4.2桩长对沉降的影响 (37)4.3相邻基础对沉降的影响 (38)4.4下卧层厚度对桩筏基础的影响 (40)4.5桩分布对桩筏基础的影响 (42)4.6本章小结 (43)5结语 (43)《土与结构相互作用》课程报告摘要：任何工程都由上部结构、基础结构和地基组成，三个部分相互作用，相互影响，组成了一个完整的体系。

本文从地基模型，群桩承载力分析和利用POGAP软件进行实例分析三方面进行了介绍，以对土与结构的相互作用有一个更全面深刻的认识。

关键字：土；地基模型；桩；相互作用；承载力；沉降1前言在一般性民用结构设计中，通常是将上部结构、地基和基础三者作为彼此不相关的独立单元进行静力平衡计算：设计上部结构时，不考虑基础刚度的影响；设计基础时，忽略上部结构刚度的影响，只取作用于基础顶面的荷载进行计算；在验算地基承载力和计算地基沉降时，也忽略了基础的刚度。

但随着高层、大型、复杂建筑的出现，这种方法将不再适用。

因为此时地基相对上部结构来说呈柔性，地基刚性的假设不再成立。

所以必须考虑地基、基础与上部结构的相互作用，把三者作为一个整体进行耦合分析。

1.1土与结构相互作用理论发展如下图1.1所示为土与结构相互作用体系：图1.1 土与结构相互作用体系由上图可以看到土与结构相互作用涉及到材料力学、土力学、结构力学、接触力学、弹性力学和弹塑性力学等知识，内容极其综合。

考虑土-结构相互作用的核电站动力分析方法

考虑土-结构相互作用的核电站动力分析方法

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岩石力学与工程学报
2004 年
算表层运动时，其依据是纵向传播剪切波的基本假 设。值得注意的是，由非线性土模型计算的表面运 动比由等效线性土模型计算的表面运动在频率为 7 Hz 以上时具更高的频谱。
5 DYNA3D 分析
DYNA3D 是一种分析非弹性土动力响应的直 接矢量三维有限元计算机程序，该程序经过修改增 加了用于表征土非线性的 Prevost 模型。土-结构体 系的模型如图 3 所示，其中共有 3 360 个实体单元 和 4 465 个节点，反应堆安全壳模型由 864 个三维 实体单元和 1 362 个节点构成。为提高稳定性，安 全壳的厚度增加了 3 倍，同时，对安全壳的密度和 模量进行调整和补偿，从而使水平基本频率维持 在 4.2 Hz 水平。采用受剪柱体模拟内部结构的主频 率(包括核电站蒸汽支撑体系)，混凝土采用阻尼为 1%～3%的粘弹性体模型。同层土的土体具有均匀、 低应变性质，对每个土体单元用 10 个多屈服面模拟 土的非线性。输入的水平运动应用于基础的每个节 点，自由场运动作用于由一维非线性场址响应分析 确定的横向边界。DYNA3D 分析的边界单元的剪切 应力时间历程和横向边界各处对应土层的剪切应力 时间历程比较一致。
图 1 核电站厂房剖面简图 Fig.1 Simplified elevation view of the ZION unit reactor
building
某核电站场址 33 m 土层下为基岩，基岩以上土 层自上而下分为 3 层，上层厚 11 m，主要为海洋沉 积的砂和砾石；中间层厚 10 m，主要为冰川时代形 成的坚硬的粘土；底层厚 12 m，主要为无粘聚力的 砂土和砾石。为了减少分析中的主要参数数量，把 场址简化为具有不同承载力的等价土层。

高层建筑的地震位移响应分析与控制

高层建筑的地震位移响应分析与控制地震是一种灾害性极强的自然现象，给人们的生命和财产安全带来了严重威胁。

在高度发达的都市化进程中，高层建筑的兴起成为人们生活和工作的常态。

然而，高层建筑由于其特殊的结构和高度，往往在地震中容易发生不同程度的位移响应。

因此，对高层建筑的地震位移响应进行分析与控制是建筑工程领域的一个重要课题。

首先，我们来了解高层建筑的地震位移响应是如何产生的。

在地震发生时，地壳发生剧烈震动，能量以波的形式传播到建筑物上。

建筑物的结构受到地震波的作用力，并产生相应的振动。

高层建筑由于其高度较大，施加在建筑物上的地震力相对较大，导致建筑物的位移响应更为显著。

高层建筑的位移响应与地震波的频率、振型、土壤条件以及结构的刚度密切相关。

其次，我们需要进行高层建筑的地震位移响应分析。

这需要借助于现代化技术手段，如结构动力学分析方法和有限元分析方法等。

通过对建筑物的结构特性进行建模，并输入地震波的参数，可以模拟出建筑物在地震中的位移响应。

分析得出的位移响应数据可以帮助工程师评估建筑物在地震中的安全性，并为后续的控制措施提供依据。

针对高层建筑的地震位移响应，有多种控制方法可供选择。

一种常见的控制手段是通过改变建筑物的振动特性来减小地震位移响应。

比如，采用减震设备和隔震系统可以增加建筑物的阻尼，降低共振频率，从而减小地震位移响应。

另外，增加建筑物的刚度和承载能力也是一种有效的控制方法，可以通过加固主要结构部位、采用高强度材料等手段来提高建筑物的整体抗震能力。

此外，与地震位移响应相关的影响因素还包括建筑物的功能要求和人员密度等。

在高层住宅楼中，居住者对舒适性和安全性都有较高的要求。

因此，在设计和建设高层住宅时，不仅需要考虑地震位移响应的控制，还要兼顾空间布局和灾害避险等方面。

类似地，在办公建筑和商业建筑等功能区域，人员密度较大，如何保证人员的安全和疏散是另一个需要关注的问题。

综上所述，高层建筑的地震位移响应分析与控制是一个涉及多个方面的问题。

考虑桩-土相互作用的高墩桥梁抗震性能


802
同 济 大 学 学 报（自 然 科 学 版）
第 49 卷
外，研究过程中还采用 m 法建立了线弹性空间 6 弹 簧基础，以便与 p-y 弹簧模型进行对比，呈现桩土 相互作用对高墩桥梁结构抗震性能的影响，如图 3b 所示。 1. 4 分析工况
研究过程共考虑了如下 3 个工况：①工况 1：考 虑土层对于基岩地震动的影响，采用合适的地震记 录作为输入加载于 p-y 弹簧模型，将所得到的结构 反应作为比较基准；②工况 2：直接将基岩地震动输 入 6 弹簧模型；③工况 3：将工况 1 中的地震动输入 6 弹簧模型。对比上述工况 1 和工况 3 的结果，可以明 确采用 6 弹簧模拟桩基础体系的适用性；对比工况 2 和工况 3 的结果则可以获得基岩地震动经土层传递 后对高墩结构地震响应的影响。
2 地震动选择及加载
2. 1 地震动选择 为了避免地震动选择不当导致的结构反应偏
差，Baker［14］提出了一种 CMS-ε 方法来选择合适的地 震输入。这种方法通过采用 ε 刻画反应谱形状，同时 根 据 场 地 条 件 确 定 目 标 反 应 谱（conditional mean spectrum，CMS），随后选择匹配该目标谱的地震动 记录作为输入［15］。基于 Lei 等［16］对西部地区进行的 地震灾害分析结果构建相应目标谱，并据此从太平 洋地震工程研究中心（PEER）的强震数据库中选择 了 8 条实际记录作为后续分析的地震动输入。
unconservative design for pile foundations.
Key words： soil-structure-interaction； nonlinear p-y springs；tall pier bridges；seismic performance

土-结构相互作用下考虑平摆耦合的基础隔震体系分析

维普资讯 来自第４ Ｏ卷第４ 期
西 建 科 技 大 学 安 筑 学 报（ 然 学 ） 自 科 版
Ｊ ｘｉａ ｉ．ｏ ｃ ． ８ ｃ ． Ｎａｕａ Ｓ ｉ ｃ ｄｔ ｎ ． ｎ Ｕｎｖ ｆＡｒ ｈ ＬＴｅ ｈ （ ｔｒｌ ｃ ｎ ｅＥ ｉｏ ） ｅ ｉ
图 １ 隔 震 体 系模 型 简 图
Ｆｉ ． Ｄｉｇ ａ ０ ａ ｅ ｉｏ ａ ｅ ｔ ｕ ｔ ｒ ｌ ｇ１ ａ ｒ ｍ ｆｂ ｓ －ｓ ｌ ｔ ｄ ｓ ｒ ｃ ｕ ａ
将 采用振 型 叠加 法 对 隔 震 体 系 进 行 平 移 摆 动 耦 合 分
析．
１ 运 动 方程
（） １
１ ｌ ） ｍ ＋ｍ） （ ＋ Ｔ。 ） Ｔ ￡＋∑ ｍ（ 一 ｏ ￡ （ 一０ Ｔ （ ＋（Ｔ ６ ￡ ｍ 王（ ＋ｄ ） Ｍｊ￡ ） ￡ （ Ｊ 』 ｈ） ） ￡ ＾ （ ＋Ｖ ）
ｈＭ 王（） ｄ 王 （） ｄ 王 （） ｒ ￡ ＋ Ｔ ６￡ ＋ Ｔ 。 ￡ ＋ Ｔ （） 。 ￡ ＋Ｍ （）一 ０ ￡＋ （） ￡
如图 １ 所示 ， 置隔震 层 的多层剪 切结构 位 于表 面刚性 基础 上 ， 基 为 各 向 同性 的粘 弹性 半 空 间 ， 设 地 其 特性 由密度 』 剪切 波速 和泊松 比ｕ 描述 ． Ｄ 、 来 同时假 设 ：１ 上 部结构 具有 比例粘 滞 阻尼 ； ２ 刚性 基 （） （） 础与地 基 土完全接 触 ；３ 隔 震体 系为线性 系统 ． （） 列动 力方 程如下 ：
（ ２ ）
（） ３
这 ∑ｍ是 和 隔 里ｍ 一 结构 基础 震层的 质 而ｄ 一∑ ｍ ｒ ＋ ＋∑ ｍ＾， 一 总 量； ｒ ， 一 ｈ ；ｓ ∑ ｍ ｏ＋ 其中ｚ ｚ） 结构相 于隔 底 位 量，一｛ ） 结 第Ｊ 至 （ 一ｈ ． ｈ＾ ） 一｛ 是 对 震 板的 移向 ｈ ＾ 是 构 层 基

桩—土—结构相互作用三维数值模拟


3、探讨桩—土—结构相互作用的机制：通过分析桩基与土体以及上部结构之 间的相互作用，可以深入了解桩基承载和变形的本质，为工程设计提供理论支 持和实践指导。
在分析模拟结果时，应注意以下可能的影响因素：
1、模型参数的设置：模型参数的准确设置是保证计算结果准确性的关键之一。 应依据实际工程地质资料和现场试验数据合理确定模型参数。
2、网格划分的精度：网格划分的精度对计算结果的准确性有很大影响。在保 证计算效率的前提下，应尽可能提高网格划分的精度。
3、边界条件的处理：边界条件的处理对计算结果的准确性也有很大影响。在 数值模拟中，应合理设置边界条件以反映实际工程情况。
谢谢观看
连续介质模型将土体视为连续的弹性或塑性介质，通常采用有限元法或有限差 分法进行求解。连续介质模型适用于分析小变形和低应力的问题，且计算效率 较高。然而，该方法难以准确模拟复杂的地质条件和应力状态。
混合法是一种结合离散元法和连续介质模型的数值方法。该方法将土体分为若 干个单元，其中一部分单元采用离散元法进行模拟，另一部分单元则采用连续 介质模型进行模拟。混合法的优点在于能够结合离散元法和连续介质模型的优 点，同时降低计算成本。然而，混合法需要合理选择离散元和连续介质模型的 适用范围，以确保计算结果的准确性。
采用有限元法对桩—土—结构相互作用进行了数值模拟，分析了不同土体条件 和桩端荷载对桩基承载力的影响。结果显示，土体条件和桩端荷载是影响桩基 承载力的关键因素。类似地，李志平等（2021）采用有限差分法对桩基在复杂 荷载下的变形进行了数值模拟，探讨了不同土体条件对桩基变形的影响。研究 结果表明，土体条件是控制桩基变形的重要因素，合理的土体模型是提高数值 模拟精度的关键。
方法与模型
桩—土—结构相互作用的数值模拟方法与模型可分为三大类：离散元法、连续 介质模型和混合法。
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收稿日期 :2004-04-12 ; 修订日期 :2004-05-08 基金项目 :国家自然科学基金重点项目(50025821);国家自然科学基金青年科学基金项目(50308018) 作者简介 :李培振(1975-), 男 , 讲师 , 博士 , 主要从事结构抗震研究 .
3期
李培振等 :考虑土-结构相互作用的高层波时程及其傅氏谱
3 .1 计算区域的确定 本节进行了 4 种情况的计算 :(1)土体取 10 倍结构横向尺寸并采用自由边界 ;(2)土体取 10 倍结构横向 尺寸并施加粘性边界 ;(3)土体取 10 倍结构横向尺寸并施加粘-弹性边界 ;(4)土体取 30 倍结构横向尺寸并 取自由边界 , 利用此情况近似模拟 半空间无限域 。 4 种情况 下 , 从土体底部输入加速 度峰值为 0 .1g 的 El Centro 波进行计算 , 位移峰值的比较如表 3 。 表中 A13 是框架结构顶层中点 ,A1 是结构底层中点 , S19 是结构 正下方距土表 41 .3m 土中点 , S25 是沿地震输入方向(图 4 中的 X 向)距结构 20m 处的土表点 。从表 3 中可 看出 , 10 倍横向边界加粘性边界和粘-弹性边界都能较好地模拟无限域情况 , 且粘-弹性边界模拟的效果要 比粘性边界稍好 , 这与上面理论分析结果是一致的 。图 3 进一步比较了 10 倍横向边界加粘-弹性人工边界 和 30 倍横向边界时 ,A13 和 S25 点的位移时程 , 从图中可看出取 10 倍横向边界加粘-弹性人工边界和 30 倍 横向边界的位移时程基本一致 , 从而进一步说明取 10 倍横向边界加粘-弹性人工边界进行计算基本上可以 消除横向边界对相互作用体系的影响 , 可较好模拟无限域情况 。 因而在本文以后的计算中 , 横向边界选取 10 倍的结构横向尺寸 , 并在横向边界处施加粘-弹性人工边界 。
1 工程概况
某高层建筑为现浇框架结构 , 柱网布置如图 1 所
示 。该建筑地上 12 层 , 底层层高 4 .5m , 其余各层层高
3 .6m ;地下一层 , 层高 6m 。现浇楼板厚 120mm , 柱子尺
寸为 600mm ×600mm , 边梁尺寸 为 250mm ×600mm , 走
道梁尺寸 为 250mm ×400mm 。 主筋采 用 II 级 变形钢
下的物理力学参数如表 1 所示 。
表 1 土层物理力学参数
序号
土层名称
①
填土
③ 灰色淤泥质粉质粘土
④
灰色淤泥质粘土
⑤-1
灰色粘土
⑤-2
灰色粉质粘土
⑤-3
灰绿色粘土
⑦
草黄 -灰色粉砂
层底埋
深/ m 3 .5
8 17 .6 26 .5 35 .2 41 .3 >41.3
密度
剪切波
(t·m -3) 1 .890 1 .74 1.7 1 .77 1 .81 1 .99 1 .96
A
(1) (2)
Gmax = ρV2s
(3)
γγ = γγ′(0 .01σ0′)1/3
(4)
式中 :Gmax是土体最大动剪切模量 , ρ是土的密度 , VS是土的剪切波速 , γr 是参考剪应变 。σ0′是土的平均有效 围压 。对于土的滞回曲线 D/ Dmax-γ, 根据有关试验结果可以用如下经验公式表示 :
Vol.24, No .3 Jun .2004
考虑土-结构相互作用的高层建筑抗震分析
李培振 , 吕西林
(同济大学 土木工程防灾国家重点实验室 , 上海 200092)
摘要 :本文采用通用有限元程序 ANSYS, 针对上 海地区 一例土-箱基-高层建 筑结构 进行了 三维有限 元分析 , 计算中土体的本构模 型采用等效线性模型 , 利 用粘 -弹性 人工边界 作为土体的 侧向边 界 , 并 研究了土体边界位置 、土性 、基础埋深 、基础形式以及上部结 构刚度等参 数对动力相 互作用 体系动力 特性及地震反应的影响 。 关键词 :结构-地基 ;相互作用 ;高层建筑 ;ANSYS 程序 ;箱基
D Dmax
=(1 -GGmax)β
(5)
其中 , Dmax为最大阻尼比 , β 为 D-γ曲线的形状系数 , 对于大多数土 , β 的取值在 0 .2 ～ 1 .2 之间 , 对于上海软 土可取 1 .0 。 上海土层 Davidenkov 模型的土骨架曲线 G/ Gmax-γ关系式的参数 A 、B 、γ′r 及最大阻尼比Dmax可
DO I :10.13197/j .eeev .2004.03.019
第 24 卷 第 3 期
地 震 工 程 与 工 程 振 动
2004 年 6 月
EARTHQUAKE ENGINEERING AND ENGINEERING VIBRATION
文章编号 :1000-1301(2004)03- 0130- 09
Abstract :Three-dimensional finite element analysis in time domain for dynamic soil-box-structure interaction of a practical engineering is carried out in this paper .General purpose finite element program ANSYS is used in the analysis .Commonly used equivalent linearity model is chosen as the constitutive relation of soil .Viscous-spring boundary of soil is implemented in ANSYS program .The influences of parameters , such as soil boundary , soil property , buried depth , foundation type and rigidity of structure , on dynamic characteristics , seismic response and interaction effect of SSI system are discussed . Key words:soil-structure ;interaction ;tall building ;ANSYS program ;box foundation
中粗砂 1 .10 0 .48 0 .25 1 .2
2 建模方法
2 .1 土体动力本构模型 采用等效线性模型中的 Davidenkov 模型的土骨架曲线作为土体动力本构模型[ 8～ 9] , 具体描述如下 :
其中
Gd Gmax
=1
-H(γd)
H(γd)=
(|γd/ γr |)2B 1 +(|γd |/ γr)2B
筋 , 混凝土采用 C30 强度等级 。基础采用箱基 , 箱基顶
图 1 柱网布置
板厚 400mm , 底板厚 600mm , 箱基外墙厚 500mm , 内墙 厚 300mm 。 土体采用上海石门一路附近的土层分布[ 7] , 从土表往下依次为 ①填土 、③灰色淤泥质粉质粘土 、
④灰色淤泥质粘土 、⑤-1灰色粘土 、⑤-2灰色粉质粘土 、⑤-3 灰绿色粘土 、⑦草黄-灰色粉砂 。 土体在静力状态
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地 震 工 程 与 工 程 振 动 24 卷
参考表 2 选用 。 利用 ANSYS 程序参数化设计语言的功能将该模型并入到程序中 。 2 .2 阻尼 在结构与地基的相互作用问题中 , 地基的阻尼往往大于结构本身的阻尼 , 对于结构和地基应分别输入不 同的阻尼 。 在 ANSYS 中提供了材料阻尼的输入方法 , 可以针对每一材料输入相应的阻尼 , 即将 α阻尼(质量 阻尼)忽略 , 在这种情况下 , β =2ξj/ ω0(ω0 是整个系统的基频)。 采用材料阻尼的输入可以考虑结构和地基 的不同阻尼问题 。 2 .3 人工边界的施加 常用的人工边界中 , 粘性边界 、旁轴边界 、透射边界属时域局部人工边界 。 其中 , 旁轴边界和透射边界精 度较高 , 但旁轴边界最适合于有限差分析 , 透射边界由于直接模拟波动的传播 , 需要离散时间点和空间点上 运动 , 易于与有限元和有限差分方法结合 , 但在实际工程中 , 由于高阶公式很复杂 , 并存在着稳定性问题 , 因 此这两种边界常常也仅用到一阶精度 。 粘性边界虽然只有一阶精度 , 但概念清楚 , 易于程序实现 , 所以应用 最为广泛 。 Deeks[ 10] 采用与粘性边界推导过程相类似的方法 , 在假定二维散射波为柱面波的形式下推导出 了粘-弹性人工边界条件 。本文在计算分析中采用了这种粘-弹性人工边界 , 并在 ANSYS 程序中予以实现 。 粘-弹性人工边界与粘性边界的精度相同 , 但是 , 由于推导粘-弹性人工边界时对散射波场的假设更符合实 际情况 , 因此实际上粘-弹性人工边界的精度要高于粘性边界[ 11] 。 在三维波的传播问题中 , 边界面上要施加 3 个方向的边界元件 , 边界的法线方向需施加阻尼器 , 阻尼系 数为 ρvp ;在边界的切线方向 , 需同时施加并联的阻尼器和线性弹簧 , 阻尼器的阻尼系数为 ρvs , 线性弹簧的刚 度系数为 G/ 2rb 。 在 ANSYS 程序中施加粘-弹性边界时 , 利用程序中的弹簧-阻尼单元 , 在每一节点处施加 3 个方向的边界元件 。 由于 ANSYS 程序中的弹簧-阻尼单元利用的是集中阻尼和集中弹簧的概念 , 因此每个 元件的阻尼系数和刚度系数要乘以该元件所在节点的支配面积 。 2 .4 加速度输入波的选择 加速度输入波型选用经调整的 El Centro 波 , 其时程及频谱组成如图 2 。
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对高层建筑进行了考虑相互作用时的三维有限元动力分析 。 计算中土体的本构模型采用等效线性模型 , 利 用粘-弹性人工边界作为土体的侧向边界 。 本文摸索了一套用通用有限元程序 ANSYS 进行结构-地基动力 相互作用研究的计算分析方法 , 有利于加强相互作用问题研究的普遍性 , 促进相互作用研究更迅速 、更深入 地发展 , 使其最终从科学研究领域进入到工程实践领域里来 。