土与结构接触特性对地下结构地震反应的影响研究

发布时间：2017-08-14 14:26

  本文关键词：土与结构接触特性对地下结构地震反应的影响研究

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【摘要】：土与结构接触面具有传递土体与结构之间应力和变形的作用,其特殊的力学行为对土体与结构的受力变形有着重要的影响。本文在分析接触面变形机理的基础上,建立了能统一描述硬化与软化特性的接触面本构模型,并在ABAQUS中实现了二次开发。以大开地铁车站为工程背景,建立了地下结构地震反应有限元模型,以大开车站中柱层间位移角为评价指标,在多种计算条件下模拟并分析了接触特性对地下结构地震反应的影响,得到一些规律性的认识。(1)基于土与结构接触面变形特性分析,将接触面土体的剪切滑动面与单元体三维应力状态下的八面体面相对应,通过土的三维弹塑性本构模型在八面体面上的剪切应力应变关系,建立了接触面土体剪切应力应变关系;将接触面土体法向压缩变形与侧限压缩条件相对应,建立了接触面土体法向应力应变关系;与试验结果的对比分析表明,所建立的本构模型可较好地描述接触面土体切向与法向的变形规律,并由超固结比描述应变软化特性。结合有限元软件ABAQUS,将接触面切向本构模型编制成FRIC摩擦子程序,通过算例表明,子程序基于无厚度单元可较好地描述土与结构界面接触的非线性力学行为。(2)选取了摩擦系数?=0.2和?=0.4两种接触特性,利用时域整体非线性有限元模型模拟并分析了土体弹性模型与结构弹性模型接触、土体弹塑性模型与结构弹性模型接触、土体弹塑性模型与结构弹塑性模型接触三种计算条件下接触特性对地下结构地震反应的影响程度与规律,同时考虑了结构-土体相对刚度对接触特性的影响。结果表明:土体弹性模型与结构弹性模型接触条件下,?=0.2时的中柱层间位移角与绑定连接时相比减小5%左右,?=0.4时的中柱层间位移角与绑定连接时相比增大2%左右;土体弹塑性模型与结构弹性模型接触条件下,?=0.2时的中柱层间位移角与绑定连接时相比减小41%左右,?=0.4时的中柱层间位移角与绑定连接时相比减小10%左右;土体弹塑性模型与结构弹塑性模型接触条件下,?=0.2时的中柱层间位移角与绑定连接时相比减小52%左右,?=0.4时与绑定连接时相比减小40%左右。(3)通过改变结构埋深分析不同围岩约束能力下接触特性对地下结构地震反应的影响,结果表明,浅埋时接触特性对地下结构地震反应影响程度较大,深埋时该影响程度较小。且对于浅埋结构,峰值加速度时刻为反映结构最大变形能力的控制时刻,随埋深增加,控制时刻逐渐过渡为峰值位移时刻。这是由于当结构埋深相对较浅时,结构受土体约束程度较小,结构动力特性发挥充分;随着埋深增加,土体对结构约束程度变大,动力特性逐渐减弱,控制时刻发生改变。(4)在本文模拟的工程背景下,对于土体弹性模型与结构弹性模型接触,以及土体弹塑性模型与结构弹性模型接触条件下,结构-土体相对模量由?=141.7提高到?=205.6范围内,结构地震反应基本呈现随结构-土体相对模量提高而减小的规律;对于土体弹塑性模型与结构弹塑性模型接触条件下,结构地震反应基本呈现随结构-土体相对模量提高而先增大、后稳定、再减小的规律。
【关键词】：地下结构 地震反应 接触非线性 材料非线性 数值模拟
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU93;TU435
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 主要符号列表8-13
• 第1章 绪论13-25
• 1.1 选题背景及研究意义13-14
• 1.2 地下结构地震反应研究现状14-18
• 1.2.1 地下结构地震灾害实例及特点14-15
• 1.2.2 地下结构地震反应研究方法15-17
• 1.2.3 地下结构地震反应影响因素17-18
• 1.3 土-结接触面力学特性研究现状18-23
• 1.3.1 接触面力学特性试验研究19-20
• 1.3.2 接触面本构模型研究20-21
• 1.3.3 接触面数值模拟研究21-23
• 1.4 本文主要研究内容23-25
• 第2章 时域整体非线性分析模型25-37
• 2.1 人工边界条件及地震动输入25-28
• 2.1.1 黏弹性人工边界25-27
• 2.1.2 地震动输入27-28
• 2.2 材料本构模型28-33
• 2.2.1 土体材料本构模型28-31
• 2.2.2 混凝土材料本构模型31-33
• 2.3 土-结接触面力学行为模拟33-35
• 2.3.1 接触边界条件33-34
• 2.3.2 接触状态及数值算法34-35
• 2.4 本章小结35-37
• 第3章 土与结构接触面土体软/硬化本构模型37-55
• 3.1 接触面及其变形规律37-40
• 3.1.1 接触面变形规律37-39
• 3.1.2 硬化与软化规律39-40
• 3.2 接触面本构模型的建立40-45
• 3.2.1 超固结土b模型40-42
• 3.2.2 接触面本构模型建立42-45
• 3.2.3 模型参数确定方法45
• 3.3 接触面本构模型的试验验证45-48
• 3.3.1 剪应力-剪应变关系验证45-47
• 3.3.2 压应力-压应变关系验证47-48
• 3.4 接触面本构模型二次开发48-52
• 3.4.1 FRIC子程序接口48-50
• 3.4.2 切向本构模型二次开发50-52
• 3.5 本章小结52-55
• 第4章 界面接触对地下结构地震反应的影响分析55-87
• 4.1 大开地铁车站工程概况及震害55-57
• 4.2 土-地下结构动力有限元模型建立57-63
• 4.2.1 有限元模型概况57-59
• 4.2.2 接触面模拟方法59-62
• 4.2.3 结构-土体相对刚度设置及材料本构模型选取62-63
• 4.3 土体弹性模型与结构弹性模型接触效应分析63-69
• 4.3.1 峰值加速度时刻接触效应分析65-67
• 4.3.2 峰值位移时刻接触效应分析67-68
• 4.3.3 峰值速度时刻接触效应分析68-69
• 4.4 土体弹塑性模型与结构弹性模型接触效应分析69-76
• 4.4.1 峰值加速度时刻接触效应分析71-73
• 4.4.2 峰值位移时刻接触效应分析73-74
• 4.4.3 峰值速度时刻接触效应分析74-76
• 4.5 土体弹塑性模型与结构弹塑性模型接触效应分析76-82
• 4.5.1 峰值加速度时刻接触效应分析78-79
• 4.5.2 峰值位移时刻接触效应分析79-80
• 4.5.3 峰值速度时刻接触效应分析80-82
• 4.6 不同埋深下接触效应分析82-84
• 4.7 本章小结84-87
• 结论与展望87-89
• 参考文献89-96
• 攻读硕士学位期间所发表的学位论文96-98
• 致谢98

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本文编号：673128