土与结构相互作用体系振动台模型试验数值模拟研究(英文)

运用土与结构动力相互作用 (SSI)有限元三维分析软件 SASSI2 0 0 0对一个土与结构动力相互作用体系振动台模型试验进行了模拟计算。对振动台模型试验作了简单的介绍 ,并详细叙述了试验的建模方法。对于试验中的刚性地基和柔性地基条件 ,El- centro波、Taft波和 5 0年超越概率为 10 %的南京人工波等三种地震波输入 ,三个加速度峰值水平 0 .1g、0 .2 g、0 .3g及两个水平向地震波输入的各种组合工况均进行了计算。在数值计算中 ,假设地基土为覆盖于基岩上的半无限粘弹性水平成层土 ,采用等效线性模型考虑土的动力非线性的影响 ;上部结构用三维杆系有限元单元模拟 ,楼板用四结点壳单元模拟 ,每个结点有三个平动自由度和三个转动自由度 ,模型试验中所施加的人工质量均匀分布于壳单元上 ;基础视为平板基础 ,用八结点块体单元模拟 ,每个结点有三个平动自由度。将试验结果与计算结果进行对比较 ,结果表明 :计算所建立的模型较好地模拟了相互作用体系在地震荷载下的反应性状 ,计算结果与试验结果吻合较好 ,SSI效应对结构地震反应有很大影响     

软弱场地地铁车站结构地震反应的数值模拟与模型试验对比分析

根据软弱场地土上地铁车站结构大型振动台模型试验结果,以软件ABAQU S为平台,采用记忆型嵌套面黏塑性动力本构模型和动塑性损伤模型,分别模拟土体和车站结构混凝土的动力特性,建立了土-地铁车站结构非线性动力相互作用二维和三维有限元分析模型,对各种试验工况下地基土-地铁车站结构体系的地震反应进行了数值模拟,并与试验结果进行了对比。结果表明:二维、三维数值模拟与振动台模型试验结果基本一致,三维模型可更好地模拟软弱场地与地铁车站结构的动力相互作用及模型结构的动力反应。数值模拟结果和振动台试验结果可相互验证其可靠性。     

地铁隧道地震反应数值模拟与试验的对比分析

根据可液化土层上土-地铁隧道结构动力相互作用大型振动台模型试验结果，以软件ABAQUS为平台，将地基土-地铁隧道结构体系视为平面应变问题，采用记忆型嵌套面粘塑性动力本构模型和动塑性损伤模型分别模拟土体和隧道结构混凝土的动力特性，建立了土-地铁区间隧道非线性动力相互作用的有限元分析模型。对各种试验工况下地基土-地铁隧道结构体系的地震反应进行了数值模拟，并与试验结果进行了对比。结果表明：数值模拟与振动台模型试验结果基本一致，呈现出相似的规律性，相互验证了基于ABAQUS软件的力学建模和振动台试验结果的正确性。     

土-结构相互作用振动台试验模型简化方法探讨

考虑到地震模拟振动台本身的承载能力限制、土体及边界条件模拟的复杂性、模型缩尺比例不能过小等因素,提出了一种在地震模拟振动台试验中简化考虑土-结构相互作用的方法,并以某海上高耸塔结构为例说明了该方法的可行性。利用有限元软件ETABS9.0.0建立了两个三维有限元模型:考虑土-结构相互作用模型(模型A)和简化模型(模型B)。其中,模型B上部结构与模型A相同,通过模态分析、反应谱分析和时程分析反复调整基础结构形式,使两个模型的上部结构地震反应相同。调整得到的模型B,即为考虑土-结构相互作用的简化模型,可为土-结构相互作用地震模拟振动台试验提供参考。     

考虑土⁃结构相互作用的软钢阻尼器作用效果分析∗

为了研究土-结构相互作用(SSI)对设置金属阻尼器框架结构的影响规律,本文设计实现了考虑SSI 的设置开孔式加劲阻尼器体系的框架结构振动台模型试验。试验采用层状剪切盒模拟土体的边界,锯末和砂土的混合物作为地基土,以12 层钢筋混凝土框架结构模拟上部结构。基础采用3×3 群桩基础。本文完成了1：6 比例的高层结构—桩—土动力相互作用体系(PSSI)、设置金属阻尼器的PSSI 体系以及刚性地基上框架结构和刚性地基上设置金属阻尼器的框架结构共4 个模型振动台试验。从动力特性、地震响应等方面对比分析了纯框架与消能减震结构的差别。并通过计算减震率,分析了SSI 效应对消能减震结构减震效果的影响规律。结果表明：消能减震结构在同样的地震作用加载下,频率衰减幅度降低为纯框架的1/3~1/2,阻尼比增加幅度为纯框架的1/2 左右,结构的损伤程度明显减弱,阻尼器起到了显著的减震效果。SSI 体系消能减震结构的阻尼器减震效率下降,但SSI 的减震效果加强,综合来看,其减震率依然高于刚性地基结构。     

不同场地多层基础隔震结构振动台试验对比研究北大核心CSCD

通过开展土-隔震结构动力相互作用体系的大型振动台模型对比试验,研究了刚性地基、硬土地基和软夹层地基3种不同地基上多层隔震结构的地震反应特征和基础隔震效果。结果表明:SSI效应对隔震结构动力特性的影响与地基土性密切相关,当地基土性由刚变柔时,隔震结构体系的一阶自振频率明显降低,阻尼比也明显增大;不同土性地基上SSI效应对隔震结构地震反应的影响并不相同,软夹层地基上SSI效应可能增大也可能减小隔震结构的地震反应强度,而硬土地基上考虑SSI效应时隔震结构的地震反应与刚性地基时的地震反应差别较小;不同土性地基上SSI效应对隔震结构基础隔震效率的影响与地基土性、输入地震动的特性和峰值等相关,其中地基土性的影响最为明显,地基土性越软,基础隔震效率越低。     

场地土-群桩基础-结构体系动力响应研究——大型振动台系列试验方案设计

以饱和砂土液化后场地失效模式特征与场地失效时群桩基础地震反应破坏机理为研究目的,依托中国建筑科学研究院大型模拟地震振动台系统,开展可液化场地、非液化场地在水平地震动激励下桩-土-结构动力相互作用动力体系大型振动台系列试验。基于本次系列试验研究对象以及试验目的,阐述了系列试验中动力模型体系相似比设计的基本原则、地基的制备、模型结构制作、各个种类传感器的选择与布设、输入地震记录的选取与工况安排等内容,介绍了阵列式位移计、非接触式位移动态采集系统等新型传感测试设备,并对所采用的层状单向剪切模型土箱设计合理性与科学性进行了验证。由之后的试验结果可知,本次系列试验设计方案是合理、可靠的,层状剪切模型箱的"模型箱效应"很小。     

基于复模态法的风电塔架体系地震反应分析

以往对风电塔架研究大多采用刚性地基的假定,忽略土—结构的动力相互作用。然而风电塔架在实际地震时,由于地基的柔性和无限性,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较大差别。因此,考虑土—结构相互动力作用(SSI)的风电塔架地震响应分析研究十分必要。以华能阜新风力发电塔架为例,基于复模态法分析考虑土—结构相互作用风电塔架地震响应,首先建立土—风电塔架体系计算模型,采用Novak模型对伐板的复刚度、复阻尼计算,然后建立土—风电塔架相互作用体系的地震反应方程,采用复模态分析方法对结构地震反应求解,可供风电塔架抗震设计参考。     

土-结构相互作用对铅芯橡胶支座隔震结构的影响

利用有限元方法,将隔震结构、基础和土体作为一个整体系统进行分析,研究了不同土性土-结构相互作用对基底地震动输入和隔震体系动力特性与地震响应的影响.分析结果表明,土-结构相互作用对基础隔震结构存在影响,因而在工程设计中,隔震结构不应忽略土-结构相互作用效应的影响.     

爆破地震作用下桩-土-结构相互作用的数值模拟

土-结构动力相互作用是地震工程和结构抗震的重要研究内容,但目前对爆破地震作用下土-结构动力相互作用的研究较少。运用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA,建立了桩-土-结构相互作用体系的三维有限元模型,由桩尖输入实测爆破地震波,取得了良好的计算效果。计算结果表明:考虑桩-土-结构相互作用后,群桩基础中每个桩的位移、加速度和剪应力幅值均呈桩顶大、桩尖小的倒三角分布,桩与承台的接合部比较容易受到损坏;桩-土-结构相互作用体系在爆破地震波冲击后,还会发生几次振动,但是这些振动产生的影响要小于爆破地震产生的影响,这与实测结果相符合;爆破地震波冲击下,群桩基础中,角桩顶部表面的桩土接触压力较大,但在爆破地震波冲击后,中心桩顶部表面的桩土接触压力较大,且具有一定的周期性,直至衰减为零。     

考虑土⁃结构相互作用的安全壳隔震与支座数量优化∗

为了探究土-结构相互作用(SSI)对隔震的核电站安全壳在地震作用下隔震效果的影响,以及在此基础上对隔震支座数量设置的优化,选取CPR1000建立三维有限元模型,采用0.4g的LBNS地震波作用,通过ABAQUS有限元分析软件模拟计算在不同情况下,考虑SSI效应、不考虑SSI效应、隔震、非隔震,以及不同数量设置的铅芯橡胶隔震支座下的安全壳的地震加速度、位移响应。结果表明,对于非隔震安全壳,考虑SSI效应后最大加速度响应下降44.39%,最大位移响应增大了27.03%;而对于隔震结构,SSI效应影响相对较小,最大加速度及位移响应的变化分别为3.17%和10.73%。但在考虑位移响应下,SSI效应仍不可忽视。随着隔震支座设置数量增大,隔震层的刚度和阻尼增大,在考虑SSI效应下,安全壳的最大加速度响应近线性缓慢增大。而最大位移响应在数量100～300阶段迅速减小,在数量300～600阶段减速则趋于平缓。在数量达到300后,继续增加数量位移减小效果不明显,而加速度将有所增加。因此选取300作为较优的隔震支座数量设置。     

地铁车站结构地震反应分析的子结构法

对 1 995年日本阪神地震中地铁车站的破坏现象进行了研究 ,分析了地铁车站的地震破坏机理 ;采用二维子结构分析方法和软件SASSI2 0 0 0 ,分别对水平向和竖向地震动作用下神户大开地铁车站结构的地震反应进行了数值模拟分析。首先采用SHAKE91程序计算自由场土体的动剪切模量和阻尼比 ,在SASSI2 0 0 0中不再考虑土体的非线性 ,在建模时把地铁车站上方的土体作为车站的附属结构。把本文的计算结果与 1 995年阪神地震中该车站的震害进行了详细的对比分析 ,发现本文所得的大开地铁车站地震反应规律与其震害完全吻合 ,本文的计算结果能够合理的解释神户大开地铁车站的各种震害现象。因此 ,本文对地下车站的抗震设计具有一定的参考价值和指导意义     

基于随机化Pushover的结构整体抗震可靠度参数分析

为了研究使用随机化Pushover方法进行RC框架结构整体抗震可靠度计算过程中相关参数的适应性,使用Matlab调用SAP2000编制出基于随机化Pushover的结构整体抗震可靠度程序,以一榀11层RC框架结构为例,通过该程序统计出不同参数下结构最大层间位移角的分布情况及整体失效概率,并以大样本实际地震波进行时程分析所统计出的相应结果为基准进行对比。结果表明,在常规参数设置下随机化Pushover方法统计出的最大层间位移角分布情况和结构整体失效概率与大样本时程分析结果有较大差异,然后提出了一种修正方式,有效地减小了两者的差异,并以某算例验证了该修正方式的适用性。     

地震动频谱特性对罐液体系地震响应的影响分析

基于拉格朗日方法建立考虑流固耦合效应的位移格式的运动方程,运用ANSYS建立立式拱顶储罐的三维有限元模型,分别选取短周期成分丰富(S1)、普通地震波(S2)和长周期成分丰富(S3)的三条天然地震波,分析了地震波频谱特性对液体晃动、罐底剪力、弯矩以及罐壁响应等结果的影响。研究表明,罐液体系自振频率存在两个明显频段,即液体晃动低频率段(长周期)和罐液耦联振动高频率段(短周期)。罐液体系的动力响应对地震波频谱特性的影响较为敏感。S3地震波卓越周期最接近罐液晃动周期,引起液面大幅度晃动,较其他增长4倍。罐液耦联振动对轴向应力响应影响最大,S1地震波卓越周期最接近罐液耦联振动周期,其引起罐底轴向压应力超过规范许用应力,出现明显"象足"屈曲变形。罐底剪力和弯矩受耦联振动影响最大,而液体晃动对其影响较小,地震激励仅引起液体表面少量单元产生对流运动。     

黄土震陷的微结构损伤模型

黄土是典型的结构性土,微结构控制其力学性能和强度要求。通过黄土震陷实验和微结构电镜扫描实验,应用统计细观损伤力学深入研究了考虑微结构要素的黄土震陷的内在破坏机理,得到了黄土震陷的结构损伤模型和本构关系。将计算结果与实验结果进行了比较,结果表明,应用统计细观损伤力学研究黄土震陷机理具有较高的合理性,黄土震陷主要是由其独特的架空孔隙结构破坏和土体颗粒掉入孔隙所致,与其动应力状态和孔隙分布有很大关系。     

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。     

软岩地基下AP1000核电屏蔽厂房结构地震响应研究

以AP1000核电屏蔽厂房结构为研究对象,进行考虑土-结构相互作用的地震响应分析,探讨不同厚度和不同地表倾斜角度软岩场地对屏蔽厂房结构地震响应的影响。利用ABAQUS有限元软件建立了软岩层厚度分别为25、30、35、40m以及地表倾斜角度分别为0°、3°和6°的土-结构相互作用模型,实现了地震动输入。对计算所得楼层响应谱进行对比分析可知,软岩层较硬岩层对地震传播有一定的放大效应,软岩层厚度的增加会使峰值频率往低频方向移动;倾斜场地对楼层响应谱高频部分有一定的放大效应。该研究结果对软岩场地下核电厂抗震安全评价具有一定参考意义。     

土-结构动力相互作用几种计算模型的比较

针对目前在土-结构动力相互作用分析中基础常采用实体单元、结构采用梁单元,建模过程中经常遇到的基础和结构不同单元的连接问题,通过在基础表面添加刚臂连接单元的方法来模拟基础和结构的连接,并分析对比了实体单元、实体单元-刚臂-梁单元、实体单元-梁单元3种模型在考虑土-结构相互作用时的动力反应,计算结果显示:采用刚臂连接单元方法的计算结果精度与实体单元的相同,但计算效率高.     

断层活动方式与地震地表变形分布特征研究

基于断层弹性位错理论及断层滑动非均匀模型,用三维有限元方法计算了发震断层逆断、正断和水平走滑三种不同活动方式下的地表变形,探讨了断层不同活动方式下的地震应变与位移的分布规律及震级、断层倾角对地震地表变形分布的影响。研究结果表明,地震地表变形影响因素很多,如地质构造条件、岩性介质特征、断层活动强度、断层产状和区域构造应力场等,但分布形态最终取决于断层活动方式,变形大小则取决于断层活动强度,其它均为局地因素,只影响分布形态的局部扭曲。断层不同活动方式下的地震地表变形分布各有其自身的规律和特点,这些分布特征可为地震研究及近活动断层建筑工程抗震设计或加固防护参考。