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.pdf

1、—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(diǎn)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

2、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(diǎn)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(shí)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

3、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(diǎn)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(shí)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

4、壩段三維有限元非線性災(zāi)變分析，分別按無質(zhì)量地基模型一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(diǎn)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

5、模型以正常蓄水位下的正常運(yùn)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(shí)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

6、。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、基粧協(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

7、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(diǎn)位移、加速度變化很小，呈整體平動特點(diǎn)，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(diǎn)輸入的加速度峰值較無質(zhì)

8、量地基模型減少20%～50%，但環(huán)向分布特點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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

9、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