不同土性的地基-结构动力相互作用振动台模型试验对比研究

通过结构-地基动力相互作用(SSI)体系的振动台模型对比试验,研究了不同土性的地基条件对动力相互作用效果和规律的影响。在试验现象方面发现,地基土越软弱,结构沉降和倾斜越大;不同土性条件下结构裂缝形态相似,但土越硬,裂缝出现越早,发展也越严重。在体系动力特性方面发现,SSI体系频率均小于不考虑SSI的结构自振频率,阻尼比大于结构材料阻尼比,但不同土性条件时由于土、基础、结构三者刚度比不同,SSI对动力特性的影响程度和机理存在差异。在地震反应方面发现,土越硬,加速度反应的峰值放大系数越大;加速度反应的主要组成成分和频谱特征是,土较软时以基础转动引起的摆动分量和平动分量为主;土较硬时以结构弹塑性变形分量为主。结果表明在不同地基土性条件下,结构-地基动力相互作用具有相似的规律,但其效果和机理存在差异。     

二维结构间的动力特性影响因素分析

本文以二维平面应变问题为例,采用有限元程序ANSYS研究了相邻结构的基本动力特性相互作用的规律：基于已有研究成果,并结合结构基频与地基土基频比值和不同基础宽度与土层厚度的比值这两个因素的变化讨论不同因素对结构间动力相互作用的影响。有限元分析结果表明：结构与地基土的频率比会对相邻结构的动力作用产生较大影响。当频率比小于1时,结构间的动力作用变化幅度较大;结构间距与基础宽度的比值也会对相邻结构的动力作用产生重大影响。当结构间距大于基础宽度3倍时,结构间的相互作用影响可以忽略;当基础宽度和土层厚度相同时,相邻结构动力相互作用影响达到最大。     

考虑土-结构相互作用的基础隔震体系动力特性分析

本文以基础隔震体系为研究对象,利用ANSYS软件建立了三维有限元模型,讨论了考虑土-结构相互作用的基础隔震体系动力特性,并研究了隔震层和相互作用对体系动力特性的影响因素,以揭示土-基础隔震体系相互作用机理。分析结果表明,考虑相互作用和基础隔震后,结构体系的自振周期延长。改变土体的特性和隔震层水平、竖向刚度,体系的动力特性也会随之改变。     

采用滚动隔震的两种结构考虑土-结构相互作用影响研究

针对高烈度区采用滚动隔震的框架结构及框剪结构,研究考虑土-结构相互作用对于结构性能的影响,运用ANSYS有限元分析软件建立结构三维有限元模型,研究对比了不同场地类别下两种结构体系的动力特性及地震响应。结果表明,滚动隔震能有效降低结构的反应。在考虑土-结构相互作用后,两种结构体系自振周期、结构位移等都有一定的增大,框剪结构受到的影响更大。抗震分析时需要考虑土-结构相互作用的影响。     

土-桩-偏心结构相互作用体系振动台试验研究

为研究土与结构动力相互作用对偏心结构地震反应的影响规律,改进现有抗震设计,采用振动台试验方法对某单层偏心结构模型在刚性地基与桩筏基础条件下进行对比试验,对模型制作材料力学性能进行了测试,分析和比较了偏心结构位移响应组成关系。结果表明：地基刚度对结构自振特性的影响主要表现为振型间耦联反应程度的降低和体系阻尼比的增大;地基对基础的约束能力影响了上部结构振动反应的大小与组成,考虑相互作用的偏心结构平扭变形幅度降低,总位移反应增大;结构应变反应振动频率降低,振动持时缩短,场地土的阻尼特性加快了结构振动能量的耗散;当偏心率较小时,结构主要表现为单自由度体系变形特征,扭转耦联效应随之减弱。试验结果为后续理论研究提供了依据。     

桩-土-结构动力相互作用体系振动台模型试验研究

基于桩-土-结构动力相互作用体系振动台模型试验的数据,研究了动力相互作用体系对上部结构的影响.研究结果表明:由于动力相互作用体系的影响,上部结构频率减小,阻尼增大;在输入地震波加速度峰值较小时,桩-土体系对地震波起放大作用,输入地震波加速度峰值较大时,桩-土体系起减震作用;在地震波由振动台台面传到土体表面的过程中,桩-土体系改变了地震波的频谱成份.     

砂卵石土地基-筏板-巨型框架结构动力相互作用研究

以砂卵石土动力特性三轴试验为基础,结合结构与地基动力相互作用理论,利用通用有限元软件ANSYS,模拟分析了砂卵石土地基-筏板-巨型框架结构体系在地震作用下地震反应的主要规律:由于动力相互作用的影响,砂卵石土地基中相互作用体系的频率小于不考虑结构-地基相互作用的频率;基础存在平动和转动,致使相互体系与刚性地基上结构体系的顶层位移最大值和加速度有明显不同,地基土传递地震作用具有放大或减振的作用,这与地基土的性质、激励大小等因素有关,砂卵石土地基一般具有减振的作用,致使上部结构接受的地震能量较少,各层反应均较小;同时,基础的刚度对上部结构的地震反应也有明显影响。     

砂卵石土地基-筏板-巨型框架结构动力相互作用研究

以砂卵石土动力特性三轴试验为基础,结合结构与地基动力相互作用理论,利用通用有限元软件ANSYS,模拟分析了砂卵石土地基-筏板-巨型框架结构体系在地震作用下地震反应的主要规律：由于动力相互作用的影响,砂卵石土地基中相互作用体系的频率小于不考虑结构-地基相互作用的频率;基础存在平动和转动,致使相互体系与刚性地基上结构体系的顶层位移最大值和加速度有明显不同,地基土传递地震作用具有放大或减振的作用,这与地基土的性质、激励大小等因素有关,砂卵石土地基一般具有减振的作用,致使上部结构接受的地震能量较少,各层反应均较小;同时,基础的刚度对上部结构的地震反应也有明显影响.     

相互作用体系中桩基的动力响应

率先在国内开展了对一种新型变截面桩-土-高层建筑结构体系动力相互作用的试验研究。通过振动台模型试验,观察了桩-土-结构体系动力相互作用的现象,验证和掌握了新型桩体与结构的震害特点。根据试验测定的数据,研究了支盘桩-高层建筑结构体系的动力特性和地震反应,重点分析了支盘桩的动力响应。通过计算和分析得出:桩-土接触压力时程曲线揭示了在地震动激励下桩-土之间存在着拉开和再接触的现象,表明支盘桩在动力相互作用过程中承受了拉、拔荷载,说明和证实了当基础具有较大的抗拉、抗拔和抗扭曲能力时,才能更好的发挥动力相互作用体系的抗震性能和减轻震灾;桩基两侧对应测点的应变时程曲线呈反向关系,表明在地震作用下,相同时间内桩基一侧受拔,另一侧受压,解释了地震区房屋产生倾斜、倾倒震害现象的根本原因。     

考虑群体效应的高层建筑土-结构相互作用参数研究

采用ANSYS软件建立考虑群体效应影响的三维高层建筑的有限元模型。模型采用软土地基,上部建筑群为三栋框架剪力墙结构。研究土性、上部结构刚度、基础埋深和地震波等参数对结构-土-结构动力相互作用体系的动力特性和动力反应的影响。结果表明:随着土性的变化,SSSI体系的动力响应也会发生变化;上部结构刚度较大时,群体效应对体系的影响较显著;基础埋置深度的增大会削弱体系的动力反应;不同地震波激励下体系的动力响应不同。     

地下结构地震反应的主要特征及规律

目前,有关地下结构地震反应特征的一些重要的规律性认识仍然缺乏严格的理论推断或认识欠深入。文章基于地下结构地震反应的二维动力有限元数值分析模型,定量分析了场地土、结构以及土-结构体系的动力特性和土-结构柔度比对地下结构地震反应的影响。结果表明,对于地下结构而言,土-结构体系的动力特性主要受控于场地土的动力特性,地下结构地震反应主要取决于场地土的动力特性或基岩地震运动引起的场地土的体积惯性力和土-结构柔度比;结构顶底板水平最大相对位移、关键构件截面弯矩随着土-结构柔度比分别单调减小和增大,结构关键构件截面的剪力、轴力值和土-结构接触面的最大平均剪力系数随着土-结构柔度比的增大变化较复杂。     

结构-土-结构相互作用体系地震响应研究综述

依托土体为媒介,相邻地表结构和相邻地下结构在地震作用下彼此相互作用,从而影响相互作用体系的地震响应。现今地下结构的尺寸向大型化发展的同时,与地表结构的距离也越来越近,相互作用效应不容忽视。首先将地表结构-土-地表结构相互作用和地下结构-土-地表结构相互作用统称为结构-土-结构相互作用,拓展了传统结构-土-结构相互作用的内涵,然后分别归纳总结了目前地表结构-土体-地表结构、地下结构-土体-地表结构相互作用体系的研究现状和进展,已有研究表明相互作用效应主要受到相邻结构间距、结构尺寸、土体特性以及地震波特性等因素的影响;而针对材料非线性、土体非线性、地震动的空间效应等因素以及大型三维计算分析的研究相对较少。因而极有必要明确目前已有的研究进展和研究成果,提炼该复杂相互作用体系尚需解决的关键性问题。     

Numerical study on the seismic response of the underground subway station- surrounding soil mass-ground adjacent building system

Ground buildings constructed above metro station have increased very quickly due to the limited land resources in urban areas. In this paper, the seismic response of the Underground subway station-Surrounding soil mass-Ground adjacent buildings (USG) system subjected to various seismic loading is studied through numerical analysis. The numerical model is established in terms of the calculation domain, boundary condition, and contact property between soil and structure based on the real project. The reciprocal influence between subway station and ground adjacent building, and their effects on the dynamic characteristics of surrounding soil mass are also investigated. Through the numerical study, it is found that the impact of underground structure on the dynamic characteristics of the surrounding soil mass depends on its own dimension, and the presence of underground structure has certain impact on the seismic response of ground adjacent building. Due to the presence of underground structure and ground adjacent building, the vertical acceleration generated by the USG system cannot be ignored. The outcomes of this study can provide references for seismic design of structures in the USG system.     

Dynamic characteristics and viscous dampers design for pile‐soil‐structure system

A series of large‐scale shaking table tests are conducted on tall buildings with and without energy dissipation devices on soft soils in pile group foundations, representing pile‐soil‐structure interaction (PSSI) system and the corresponding fixed‐base situations. The superstructure is a 12‐story reinforced concrete (RC) frame. The dynamic characteristics of the test models show that the frequencies decrease and the damping ratio increase in PSSI system by comparison with the fixed‐base structures. The mode shapes of PSSI system are different from that under fixed‐base condition, and the mode shapes of structure without dampers change greater than that with energy dissipation devices under various white noises. An improved method for structural dynamic characteristics, considering the impedance function of piles, is developed to address the issue of modal parameters with PSSI effect. In addition, the structural dynamic parameters of the large‐scale shaking table tests are identified using the modification method and other regulation methods, demonstrating that the improved approach is highly accurate and effective. Subsequently, a design procedure for viscous dampers of structures with PSSI effect is presented based on the dynamic characteristics of the system. Finally, the dynamic responses of the structure with viscous dampers in the practical engineering are decreased effectively, indicating the good performance of designed viscous dampers. The numerical results also show that the damping efficiency of interstory drift is larger than the acceleration and interstory shear force. Therefore, the improved modal parameters method, validated through a series large‐scale shaking table tests, is applicable for identifying dynamic characteristics of pile‐soil‐structure with energy dissipation devices system. The design procedure of viscous dampers, proved by a reinforced concrete frame structure located on a practical Shanghai soft site, can be employed to design the viscous dampers considering seismic PSSI effect.     

单层饱和土中桩竖向振动简化模型及其解析解

建立单层饱和土中桩竖向振动的简化模型,基于Biot理论和一维杆件理论,利用势函数分解方法对桩土系统解耦,获得桩土完全接触条件下桩土耦合振动的频域解析解的显式表达,分析桩竖向振动特性的主要影响因素。将提出的简化模型解与饱和半空间中桩振动的积分方程解进行对比,讨论桩底支承刚度的取值。该解析解与边界元解的对比以及退化为单相介质后与单相介质有限元解的对比,均表明其具有较高的精度,可以满足工程要求。     

地下结构动土压力简化计算方法研究

基于波动力学理论,考虑土–结构动力相互作用、土介质特性及地震波的传播特性,提出了地震作用下地下结构的动土压力简化抗震设计方法。首先,将土–地下结构体系简化为单自由度的质量–弹簧–阻尼体系。其次,通过建立该体系的波动方程,并进行求解,将自由场响应换算为作用在结构上一点的动土压力,并结合结构周围土体的自由场响应分布特征,可得整个结构上的动土压力分布。最后,以振动台试验结果为基础进行了简化方法的验证,得出本文提出方法能够与试验结果吻合很好。该方法具有概念明确、计算简便、计算效率和精度高等特点,能够求解各类地下结构的地震反应,为地下结构的抗震设计提供了一种简单、实用的工具。     

Numerical analysis of internal blast effects on underground tunnel in soils

The response of underground structures subjected to internal blasts is an important topic in protective engineering. Due to various constraints, pertinent experimental data are extremely scarce. Adequately detailed numerical simulation thus becomes a desirable alternative. However, the physical processes involved in the internal explosion and blast wave propagation are very complex, and hence, a realistic and detailed reproduction of the phenomena would require sophisticated numerical models for the loading and material responses. In this article, a fully coupled numerical model is established to simulate dynamic responses of tunnel structure in soils under internal blasting loads. The approach considers all the stages of the process: detonation of the internal charge; shock wave propagation in the internal gas; coupled fluid–structure interaction between explosive wave and tunnel structure; structure damage; soil–structure dynamic interaction; and wave propagation in the surrounding soil medium. Effects of soil–structure interactions, soil stiffnesses, buried depths, cross-sectional shapes and locations of charge are thoroughly investigated on dynamic responses of tunnel structures subjected to internal blasting loads. Results show that the tunnel responses are driven by the soil stiffness rather than by the interface friction, and the location of charge has a significant effect on the tunnel responses.     

锚固和复合锚固类结构抗动静性能研究概述

锚固类结构是指注浆锚杆、锚索、土钉及加筋土-类岩土工程加固支护结构。复合锚固类结构是指各单一锚固类结构彼此或与传统工法及构造措施等联合使用的-类岩土工程加固支护结构。业已证明和证实，锚同与复合锚同类结构具有优异的抗动静载性能，其中有的结构型式已有大量成功应用。但是，锚固和复合锚同类结构抗静载问题研究与应用较多，对抗动载问题研究与应用相对较少。这一状况国内外大体相近。有些锚固和复合锚同结构型式，如国外的吸能锚固和屈服锚固结构，我国的新型复合锚固结构，均有各自特色，特别是都具有极大的抗动载潜能和效费比。将其用于抗静载也是可探讨的。尽管对这些结构所做试验是初步的，都只完成了效应试验，尚未做深入机理研究，但发展前景看好，值得人们关注、借鉴并进一步探讨。     

连接Kelvin阻尼器的对称双塔楼结构被动控制研究

将连接阻尼器的对称双塔楼结构耦合为单个连接着Kelvin型阻尼器的2-DOF（degree of freedom）体系,推导了耦合结构体系的运动微分方程并基于能量最小原理求出了连接阻尼器的优化参数解析解。参数化分析表明结构各层频率比、质量比和刚度比是影响阻尼器控制效果的重要参数。对于一个给定的对称双自由度体系,存在最优的Kelvin阻尼器阻尼参数解析解使得结构的位移峰值响应有最小值,同时从结构的自振特性也会影响结构最终的控制效果。最后,通过数值算例,分别讨论了塔楼多自由度体系在地震激励下的位移时程、结构振动能量和层间位移角,验证了该文所提Kelvin阻尼器优化参数解析表达式对控制带底盘对称双塔楼结构动力响应的有效性。     

上覆土竖向惯性力对浅埋地下框架结构地震损伤#br# 反应影响离心机振动台模型试验研究

已有研究表明不同轴压比下中柱侧向变形能力是影响浅埋框架地铁车站结构抗震性能的关键因素。为了研究由竖向地震作用引起的柱轴压比增高对浅埋地下框架结构的地震损伤反应的影响,采取在结构上覆土中掺入钢砂的方式体现上覆土的竖向惯性力作用,开展地下结构地震破坏离心机振动台模型试验研究。试验结果表明：结构上覆土体掺钢砂的方式对土-结构体系的动力特性、地震作用下地下结构顶、底板水平相对位移反应影响不大;增加上覆土竖向惯性力较大地改变了围岩土体与地下结构的接触压力分布形式,进而改变结构各构件的内力状态,使得框架结构中的关键竖向承力柱的轴压比升高;增加上覆土竖向惯性力导致地下结构框架受力及中柱轴压比增高的后果使得地下框架结构更易发生地震破坏。