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考虑土—结构相互作用的建筑结构水平地震作用研究

作　者: 刘英丽
导　师: 沙成满
学　校: 东北大学
专　业: 岩土工程
关键词: 抗震设计振型分解法有限单元法土-结构相互作用
分类号: TU435
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

高层建筑是近代经济发展和科学技术进步的产物。高层建筑的主要特征是层数多、高而柔、重力荷载大、抗震要求高,这对抗震设计提出了更高、更严的要求。目前，我国抗震设计规范中水平地震作用是以刚性地基假定为前提,但是这种刚性地基假定是不符合实际情况的,存在土-结构相互作用(SSI)是客观事实。土-结构动力相互作用会使系统的频率降低、系统的等效阻尼明显增大、对基岩的输入波的放大效应。这些相互作用效应将显著地改变系统动力响应的性质和特性。因此,在土-结构系统的动力分析时,相互作用的影响是不可忽视的。针对这一现状,本论文完成了如下工作：针对集中质量剪切模型用振型分解法不考虑SSI,应用matlab软件计算出论文模型的地震作用、框架柱剪力以及弯矩；对应地,用振型分解法考虑SSI,基于matlab环境编写软件计算出模型的地震作用、框架柱剪力以及弯矩；为方便对比采用更精确的有限单元离散化模型,在不考虑以及考虑SSI的不同情况下,运用有限元ANSYS软件计算出了模型的地震作用、框架柱剪力以及弯矩。通过以上振型分解法、有限单元法两种方法,在考虑SSI与不考虑SSI两种情况分别计算,并对计算结果进行相应的对比分析。结果表明：考虑SSI作用后,框架柱的内力发生较大的变化,在给出的五种不同地基类型中,地基类型五是最软的,SSI的影响效果也是最明显的,计算出来的框架柱内力是最小的,振型分解法考虑地基类型五计算模型框架柱内力值比振型分解法没考虑SSI计算模型框架柱内力值小28%；地基类型一的土是最硬的,计算出来的模型框架柱内力是最大的,振型分解法考虑地基类型一计算模型框架柱内力值比振型分解法不考虑SSI计算模型框架柱内力值小19%,考虑SSI计算出来的框架柱内力都比没考虑SSI计算出来的框架柱内力小；有限单元法计算模型的框架柱内力值也比振型分解法计算模型的框架柱内力值小；有限单元法没考虑SSI计算模型框架柱内力值比振型分解法没考虑SSI计算模型框架柱内力值小11%。这些都说明目前我国抗震设计规范采用振型分解法计算水平地震作用,由于忽略了SSI的影响而导致了较大误差,尤其是地基土偏软时更为严重。因此不应该忽略SSI这一客观事实。本文仅从建筑结构在水平地震作用下框架柱的内力方面针对一具体模型进行了分析和探讨。事实上,由于问题的复杂性,SSI对于设计中结构内力的影响是复杂的。为了进一步提高抗震设计水平,使地震作用的计算更加符合实际,SSI的研究将有待于进一步深入和不断完善。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章绪论  12-28
  1.1 中国的地震工程形势  12
  1.2 抗震设计的理论  12-14
    1.2.1 拟静力理论  12-13
    1.2.2 反应谱理论  13-14
    1.2.3 动力理论  14
  1.3 我国抗震设计规范发展概况  14-26
    1.3.1 概述  14-15
    1.3.2 第一代建筑结构抗震设计规范草案  15-16
    1.3.3 第二代建筑结构抗震设计规范草案  16-18
    1.3.4 第一代建筑结构抗震设计规范  18-19
    1.3.5 第二代建筑结构抗震设计规范  19
    1.3.6 第三代建筑结构抗震设计规范  19-25
    1.3.7 第四代建筑结构抗震设计规范  25-26
  1.4 土-结构相互作用体系的研究进展  26-27
    1.4.1 概述  26
    1.4.2 土-结构相互作用体系的研究进展  26-27
  1.5 本论文的主要研究内容  27-28
第2章规范算法不考虑SSI地震作用计算  28-38
  2.1 土-结构相互作用原理  28
  2.2 范算法水平地震作用计算理论  28-32
    2.2.1 多质点弹性体系的地震反应  28-30
    2.2.2 多质点体系水平地震作用和地震效应  30-32
  2.3 上部结构计算模型  32-34
  2.4 振型分解法模型地震作用计算  34-38
第3章规范算法考虑SSI地震作用计算  38-52
  3.1 土-结构相互作用体系的研究现状  38-42
    3.1.1 土-结构相互作用原理  38-39
    3.1.2 土-结构相互作用研究的发展历史  39-40
    3.1.3 土-结构相互作用的分析方法  40-42
  3.2 考虑土-结构相互作用计算地震作用方程  42-43
  3.3 考虑土-结构相互作用的地基计算模型  43-44
  3.4 地震作用、层间剪力  44-47
  3.5 振型分解法考虑SSI与不考虑SSI计算模型结果分析  47-52
第4章有限单元法不考虑SSI地震作用计算  52-72
  4.1 有限元法理论  52-56
  4.2 上部有限元建模  56-57
  4.3 有限单元不考虑SSI模型与振型分解法集中质量模型的关系  57
  4.4 模态分析  57-61
  4.5 谱分析  61-66
  4.6 有限单元法不考虑SSI与振型分解法不考虑SSI计算模型结果分析  66-72
第5章有限单元法考虑SSI地震作用计算  72-84
  5.1 考虑SSI作用有限元模型建模  72-75
  5.2 有限单元法考虑SSI模型与集总参数法模型的关系  75
  5.3 模态分析  75-79
  5.4 谱分析  79
  5.5 有限单元法考虑SSI与振型分解法不考虑土SSI计算模型结果分析  79-82
  5.6 两种模型与两种算法框架柱剪力、弯矩值比较分析  82-84
第6章结论与展望  84-86
  6.1 主要结论  84-85
  6.2 研究展望  85-86
附录  86-106
参考文献  106-110
致谢  110

考虑土—结构相互作用的建筑结构水平地震作用研究

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