本文關鍵詞：土與結構接觸特性對地下結構地震反應的影響研究

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【摘要】：土與結構接觸面具有傳遞土體與結構之間應力和變形的作用,其特殊的力學行為對土體與結構的受力變形有著重要的影響。本文在分析接觸面變形機理的基礎上,建立了能統(tǒng)一描述硬化與軟化特性的接觸面本構模型,并在ABAQUS中實現(xiàn)了二次開發(fā)。以大開地鐵車站為工程背景,建立了地下結構地震反應有限元模型,以大開車站中柱層間位移角為評價指標,在多種計算條件下模擬并分析了接觸特性對地下結構地震反應的影響,得到一些規(guī)律性的認識。(1)基于土與結構接觸面變形特性分析,將接觸面土體的剪切滑動面與單元體三維應力狀態(tài)下的八面體面相對應,通過土的三維彈塑性本構模型在八面體面上的剪切應力應變關系,建立了接觸面土體剪切應力應變關系;將接觸面土體法向壓縮變形與側限壓縮條件相對應,建立了接觸面土體法向應力應變關系;與試驗結果的對比分析表明,所建立的本構模型可較好地描述接觸面土體切向與法向的變形規(guī)律,并由超固結比描述應變軟化特性。結合有限元軟件ABAQUS,將接觸面切向本構模型編制成FRIC摩擦子程序,通過算例表明,子程序基于無厚度單元可較好地描述土與結構界面接觸的非線性力學行為。(2)選取了摩擦系數(shù)?=0.2和?=0.4兩種接觸特性,利用時域整體非線性有限元模型模擬并分析了土體彈性模型與結構彈性模型接觸、土體彈塑性模型與結構彈性模型接觸、土體彈塑性模型與結構彈塑性模型接觸三種計算條件下接觸特性對地下結構地震反應的影響程度與規(guī)律,同時考慮了結構-土體相對剛度對接觸特性的影響。結果表明:土體彈性模型與結構彈性模型接觸條件下,?=0.2時的中柱層間位移角與綁定連接時相比減小5%左右,?=0.4時的中柱層間位移角與綁定連接時相比增大2%左右;土體彈塑性模型與結構彈性模型接觸條件下,?=0.2時的中柱層間位移角與綁定連接時相比減小41%左右,?=0.4時的中柱層間位移角與綁定連接時相比減小10%左右;土體彈塑性模型與結構彈塑性模型接觸條件下,?=0.2時的中柱層間位移角與綁定連接時相比減小52%左右,?=0.4時與綁定連接時相比減小40%左右。(3)通過改變結構埋深分析不同圍巖約束能力下接觸特性對地下結構地震反應的影響,結果表明,淺埋時接觸特性對地下結構地震反應影響程度較大,深埋時該影響程度較小。且對于淺埋結構,峰值加速度時刻為反映結構最大變形能力的控制時刻,隨埋深增加,控制時刻逐漸過渡為峰值位移時刻。這是由于當結構埋深相對較淺時,結構受土體約束程度較小,結構動力特性發(fā)揮充分;隨著埋深增加,土體對結構約束程度變大,動力特性逐漸減弱,控制時刻發(fā)生改變。(4)在本文模擬的工程背景下,對于土體彈性模型與結構彈性模型接觸,以及土體彈塑性模型與結構彈性模型接觸條件下,結構-土體相對模量由?=141.7提高到?=205.6范圍內(nèi),結構地震反應基本呈現(xiàn)隨結構-土體相對模量提高而減小的規(guī)律;對于土體彈塑性模型與結構彈塑性模型接觸條件下,結構地震反應基本呈現(xiàn)隨結構-土體相對模量提高而先增大、后穩(wěn)定、再減小的規(guī)律。
【關鍵詞】：地下結構 地震反應 接觸非線性 材料非線性 數(shù)值模擬
【學位授予單位】：北京工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TU93;TU435
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 主要符號列表8-13
• 第1章 緒論13-25
• 1.1 選題背景及研究意義13-14
• 1.2 地下結構地震反應研究現(xiàn)狀14-18
• 1.2.1 地下結構地震災害實例及特點14-15
• 1.2.2 地下結構地震反應研究方法15-17
• 1.2.3 地下結構地震反應影響因素17-18
• 1.3 土-結接觸面力學特性研究現(xiàn)狀18-23
• 1.3.1 接觸面力學特性試驗研究19-20
• 1.3.2 接觸面本構模型研究20-21
• 1.3.3 接觸面數(shù)值模擬研究21-23
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容23-25
• 第2章 時域整體非線性分析模型25-37
• 2.1 人工邊界條件及地震動輸入25-28
• 2.1.1 黏彈性人工邊界25-27
• 2.1.2 地震動輸入27-28
• 2.2 材料本構模型28-33
• 2.2.1 土體材料本構模型28-31
• 2.2.2 混凝土材料本構模型31-33
• 2.3 土-結接觸面力學行為模擬33-35
• 2.3.1 接觸邊界條件33-34
• 2.3.2 接觸狀態(tài)及數(shù)值算法34-35
• 2.4 本章小結35-37
• 第3章 土與結構接觸面土體軟/硬化本構模型37-55
• 3.1 接觸面及其變形規(guī)律37-40
• 3.1.1 接觸面變形規(guī)律37-39
• 3.1.2 硬化與軟化規(guī)律39-40
• 3.2 接觸面本構模型的建立40-45
• 3.2.1 超固結土b模型40-42
• 3.2.2 接觸面本構模型建立42-45
• 3.2.3 模型參數(shù)確定方法45
• 3.3 接觸面本構模型的試驗驗證45-48
• 3.3.1 剪應力-剪應變關系驗證45-47
• 3.3.2 壓應力-壓應變關系驗證47-48
• 3.4 接觸面本構模型二次開發(fā)48-52
• 3.4.1 FRIC子程序接口48-50
• 3.4.2 切向本構模型二次開發(fā)50-52
• 3.5 本章小結52-55
• 第4章 界面接觸對地下結構地震反應的影響分析55-87
• 4.1 大開地鐵車站工程概況及震害55-57
• 4.2 土-地下結構動力有限元模型建立57-63
• 4.2.1 有限元模型概況57-59
• 4.2.2 接觸面模擬方法59-62
• 4.2.3 結構-土體相對剛度設置及材料本構模型選取62-63
• 4.3 土體彈性模型與結構彈性模型接觸效應分析63-69
• 4.3.1 峰值加速度時刻接觸效應分析65-67
• 4.3.2 峰值位移時刻接觸效應分析67-68
• 4.3.3 峰值速度時刻接觸效應分析68-69
• 4.4 土體彈塑性模型與結構彈性模型接觸效應分析69-76
• 4.4.1 峰值加速度時刻接觸效應分析71-73
• 4.4.2 峰值位移時刻接觸效應分析73-74
• 4.4.3 峰值速度時刻接觸效應分析74-76
• 4.5 土體彈塑性模型與結構彈塑性模型接觸效應分析76-82
• 4.5.1 峰值加速度時刻接觸效應分析78-79
• 4.5.2 峰值位移時刻接觸效應分析79-80
• 4.5.3 峰值速度時刻接觸效應分析80-82
• 4.6 不同埋深下接觸效應分析82-84
• 4.7 本章小結84-87
• 結論與展望87-89
• 參考文獻89-96
• 攻讀碩士學位期間所發(fā)表的學位論文96-98
• 致謝98

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本文編號：673128