本文關(guān)鍵詞：工程結(jié)構(gòu)考慮地基—結(jié)構(gòu)動力相互作用影響的地震響應(yīng)分析　出處：《西安理工大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：一般的建筑物體量較小,建基面位于平坦的地面。結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析,常采用剛性基底假定,按一致地震動輸入處理,即忽略了地基—結(jié)構(gòu)的動力相互作用。建造于高山峽谷中的高壩,建基面位于開挖露出基巖的谷底和部分邊坡之上,呈U形或V形。若研究高壩在極端地震下的災(zāi)變行為,需重點考察壩與建基面,壩段之間的橫縫的張合與滑移過程。如果不計地基—壩體的動力相互作用,模擬結(jié)果會嚴(yán)重失真。近幾年我國火電與核電建設(shè)中的出現(xiàn)了高度200m級的大型冷卻塔,底部直徑達(dá)到了 150m以上,冷卻塔的自振特性表現(xiàn)為前數(shù)十階乃至上百階振型均為局部振型,相應(yīng)自振頻率分布十分密集,明顯不同于常規(guī)的建筑結(jié)構(gòu)。據(jù)該特點容易聯(lián)想到冷卻塔結(jié)構(gòu)將會對地基—結(jié)構(gòu)的動力相互作用以及地震動的行波效應(yīng)十分敏感。對高壩和高聳冷卻塔抗震研究而言,動力相互作用問題愈顯突出,是一個不可回避的關(guān)鍵科學(xué)問題。針對上述兩類結(jié)構(gòu),以實際工程項目為研究背景,建立了設(shè)置粘彈性人工邊界的地基—結(jié)構(gòu)動力相互作用的三維分析模型,分別推導(dǎo)了自由場輸入情況下,S波和P波豎向入射、SH波水平入射、LOVE.面波水平入射三種情況下,近域地基的前、后、左、右和底面五個人工邊界面上不同位置的等效結(jié)點動力荷載的表達(dá)式。采用通用程序ANSYS,對碾壓混凝土壩和冷卻塔算例結(jié)構(gòu),計入地基—結(jié)構(gòu)動力相互作用影響,開展相應(yīng)的地震反應(yīng)分析,進(jìn)行了多種工況下的計算對比分析研究,主要研究內(nèi)容及成果如下:1.以印度尼西亞某實際碾壓混凝土重力壩作為算例結(jié)構(gòu),開展最大可信地震(MCE)情況下混凝土重力壩全壩段三維有限元非線性災(zāi)變分析,分別按無質(zhì)量地基模型—致地震動輸入方法和粘彈性邊界地震動輸入方法,同時考慮幾何非線性和接觸非線性,進(jìn)行地震反應(yīng)時程分析。在地震過程中各縫面均產(chǎn)生張開—閉合—接觸—滑移現(xiàn)象。從壩頂關(guān)鍵點永久位移、壩基開裂范圍、橫縫張開度和滑移量,以及震后靜力抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可以判斷,大壩具有一定安全裕度,考慮無限地基輻射阻尼效應(yīng)的粘彈性人工邊界模型結(jié)果的動力響應(yīng)較無質(zhì)量地基模型結(jié)果小。2.得到了地基—庫水—重力壩模型以正常蓄水位下的正常運行靜力工況為初始條件,整個體系的MCE地震作用下全過程的災(zāi)變形態(tài),并對地震作用下單壩段抗滑、抗傾覆等抗震安全性進(jìn)行了評價。3.利用彈性波動理論,首次推導(dǎo)了水平向SH波、LOVE面波入射時的地震動輸入公式,并編制APDL命令在通用程序ANSYS中得以實現(xiàn)。通過按正弦規(guī)律變化的SH波、LOVE面波的算例,與解析解對比驗證了新建輸入方法的正確性。4.研究了地基剛度變化對冷卻塔動力特性的影響規(guī)律。通過算例冷卻塔建立了包含均勻彈性地基的地基—冷卻塔模型和考慮承臺、基樁協(xié)同工作的樁基—承臺—冷卻塔有限元模型,分別取不同地基剪切波速以及剛性地基模型進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。研究表明:冷卻塔的自振頻率分布十分密集,基本振型均為塔筒局部振型,整體振型出現(xiàn)較晚,隨著地基剛度的增加,各階自振頻率有所增加,但增幅有限。樁基—承臺—冷卻塔有限元模型,能夠考慮到地基的有限剛度影響,其動力特性與地基—冷卻塔模型規(guī)律基本一致。5.研究了同時考慮行波效應(yīng)和地基—結(jié)構(gòu)動力相互作用兩種因素對冷卻塔結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響規(guī)律。在無質(zhì)量地基模型一致地震動輸入情況下,塔筒上沿子午向和環(huán)向平面各點位移、加速度變化很小,呈整體平動特點,地基剛度變化對塔筒動力響應(yīng)影響很小。輻射阻尼效應(yīng)可顯著降低結(jié)構(gòu)體系的動力響應(yīng),采用粘彈性邊界模型,塔筒的絕對加速度最大值降低40%左右。在SH波、LOVE面波輸入情況下,以基本振型為主的局部振型被激發(fā)出來�？紤]輻射阻尼效應(yīng)后,冷卻塔基底各點輸入的加速度峰值較無質(zhì)量地基模型減少20%～50%,但環(huán)向分布特點基本一致,沿輸入的水平方向略大于與其正交的水平向,考慮行波效應(yīng)后,各基底輸入點存在明顯相位差。不同地基土剪切波速的水平入射SH波,若輸入SH波波速較慢,各代表點響應(yīng)較低,輻射阻尼效應(yīng)很顯著;若輸入SH波波速較快,則各代表點響應(yīng)較大,接近于無質(zhì)量地基模型情形,輻射阻尼效應(yīng)比行波效應(yīng)對于結(jié)構(gòu)的影響更為明顯。隨著地基土剪切波速的增加,基底支承點處的絕對加速度逐漸接近自由場地震動輸入,上部結(jié)構(gòu)對地震波的散射效應(yīng)逐漸減弱。6.在無質(zhì)量地基模型一致地震動輸入情況下,隨著地基剛度的增加,X支柱的軸力變化不大,而繞環(huán)向彎矩增加很顯著。采用粘彈性邊界模型分析,計入輻射阻尼效應(yīng),顯著增加了塔筒環(huán)向內(nèi)力而降低了子午向內(nèi)力,X支柱的內(nèi)力幅值也降低20%～50%�？紤]SH波、LOVE面波行波效應(yīng)后,塔筒的最大主應(yīng)力有所增加。SH波輸入情況下,考慮地基—結(jié)構(gòu)動力相互作用,激發(fā)了冷卻塔局部振型,隨著SH波速波速的增加,X支柱內(nèi)力增幅明顯,可見無限地基輻射阻尼效應(yīng)的影響很重要,在動力分析時不可忽略。
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TV223;TU435
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本文編號：1317793