土—細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物相互作用的非線性動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、在土木工程領(lǐng)域，土-結(jié)構(gòu)相互作用問(wèn)題是結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析及相關(guān)設(shè)計(jì)的重要組成部分。在地震動(dòng)激勵(lì)下，以大跨度橋梁和重大巖土工程為例，其下部結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力響應(yīng)均對(duì)結(jié)構(gòu)體系的抗震性能有重要影響。由工程實(shí)際可知，結(jié)構(gòu)物的下部基礎(chǔ)通常為細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物，且按基本特征可分為橫向細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物（彈性地基梁）和縱向細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物（樁）。從傳統(tǒng)的觀點(diǎn)看，已有研究普遍認(rèn)為彈性地基對(duì)其支承結(jié)構(gòu)物有較強(qiáng)的約束作用，并將顯著抑制土-結(jié)構(gòu)相互作用的動(dòng)力響應(yīng)。因此，對(duì)于土-細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物

2、相互作用的已有研究則多關(guān)注其線性特性，并弱化了土-結(jié)構(gòu)相互作用特性對(duì)于結(jié)構(gòu)物動(dòng)力響應(yīng)的影響效應(yīng)。顯然，將非線性動(dòng)力學(xué)理論運(yùn)用到土-細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物相互作用動(dòng)力響應(yīng)建模及分析的研究仍十分少見(jiàn)。
　　 為精確揭示土-細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物相互作用的動(dòng)力響應(yīng)，需要將土-結(jié)構(gòu)相互作用效應(yīng)在結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)中的貢獻(xiàn)引入到系統(tǒng)的建模分析中。通過(guò)系統(tǒng)研究可知，若考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用引起的二次彎矩效應(yīng)，則土-細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物相互作用精細(xì)化模型的非線性動(dòng)力學(xué)方程中將含有多種

3、非線性項(xiàng):平方非線性、立方非線性和參數(shù)激勵(lì)項(xiàng)。因此，從非線性動(dòng)力學(xué)角度看，此時(shí)土-細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物相互作用的動(dòng)力響應(yīng)中可能存在非常豐富的非線性動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。為全面揭示土-細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物相互作用的非線性動(dòng)力學(xué)特性，本論文考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用影響效應(yīng)及細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物的幾何非線性，建立了彈性地基梁和樁的精細(xì)化動(dòng)力學(xué)模型。進(jìn)而，結(jié)合非線性動(dòng)力學(xué)理論，運(yùn)用多尺度方法對(duì)土-細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物的非線性動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)研究。同時(shí)，基于理論計(jì)算結(jié)果，分析了彈性地基參數(shù)、地基模型

4、、邊界約束等對(duì)土-細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物相互作用非線性動(dòng)力響應(yīng)的影響。最終，為促進(jìn)研究成果的應(yīng)用，與理論試驗(yàn)設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合，針對(duì)土-細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物相互作用的非線性動(dòng)力響應(yīng)提出了動(dòng)力參數(shù)篩選及設(shè)計(jì)方法。本論文的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)為以下幾個(gè)方面:
　　 1.鑒于土-結(jié)構(gòu)相互作用問(wèn)題的重要性，本文首次將土-結(jié)構(gòu)相互作用引起的二次彎矩效應(yīng)引入到非線性動(dòng)力學(xué)研究中?；诒疚难芯靠芍?，土-結(jié)構(gòu)相互作用引起的非線性特性可歸為一類新的非線性現(xiàn)象。新非線性特

5、性的發(fā)現(xiàn)拓展了非線性動(dòng)力學(xué)的理論研究，有重要的理論意義。
　　 2.為研究彈性地基模型對(duì)其支承結(jié)構(gòu)物動(dòng)力響應(yīng)特性的影響，本文在推導(dǎo)出三參數(shù)(Kerr模型)地基反力的顯式近似表達(dá)式的基礎(chǔ)上，給出了四種常見(jiàn)模型(Winkler、Vlasov、Pasternak、Kerr)地基反力的統(tǒng)一表達(dá)式。進(jìn)而，提出了彈性地基模型對(duì)結(jié)構(gòu)物動(dòng)力響應(yīng)影響效應(yīng)的對(duì)比評(píng)價(jià)方法。
　　 3.將土-結(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生的二次彎矩效應(yīng)引入到土-細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物的

6、動(dòng)力學(xué)建模中，分別利用Newton法和Hamilton原理建立了彈性地基梁的非線性動(dòng)力學(xué)模型。進(jìn)而，研究了土-結(jié)構(gòu)相互作用效應(yīng)對(duì)于彈性地基梁非線性動(dòng)力響應(yīng)特性的影響。并且，通過(guò)彈性地基梁非線性內(nèi)共振響應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，二次彎矩效應(yīng)導(dǎo)致了連續(xù)系統(tǒng)保守特性的破壞。
　　 4.基于本文所建模型，對(duì)彈性地基梁的自由振動(dòng)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其面內(nèi)運(yùn)動(dòng)固有頻率譜中存在截止頻率。進(jìn)而，對(duì)比研究了系統(tǒng)在截止頻率前后的模態(tài)構(gòu)型及線性和非線性動(dòng)力響應(yīng)特性。顯

7、然，本文提出的精細(xì)化模型可更全面地揭示不同場(chǎng)地支承時(shí)細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力學(xué)特性。
　　 5.將二次彎矩效應(yīng)影響引入到縱向細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力響應(yīng)研究中，運(yùn)用Hamilton原理建立了水平/軸向受荷樁的非線性動(dòng)力學(xué)分析模型。進(jìn)而，與非線性動(dòng)力學(xué)理論相結(jié)合，研究了樁的多階屈曲現(xiàn)象及屈曲頻率問(wèn)題。為拓展研究并結(jié)合工程實(shí)踐需求，在群樁基礎(chǔ)的非線性動(dòng)力響應(yīng)研究中考慮群樁效應(yīng)影響，并對(duì)比研究了群樁效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)中土-結(jié)構(gòu)相互作用效應(yīng)的影響。