土与结构相互作用2012.pptVIP

土与结构相互作用 ■是研究土与结构动力系统相互作用的数学模型、力学机理、耦合效应、界面特性和计算分析方法等，解决多种介质的动力耦合问题，为结构工程、岩土工程、地下工程、防护工程等众多领域的动力分析和工程的动力可靠性设计提供理论基础和分析方法。 ■研究对象：地震波场中与地基或围岩相连的高层建筑、大型桥梁、地下结构、大型水坝等在给定输入波场，研究结构及其附近土体的动力反应。 ■动力相互作用问题：由振源出发的振动波，通过场地土层传播输入结构体系使其振动；同时结构体系产生的惯性力如同新的振源反过来作用于场地，引起新的地振动再作用于结构体系。 土与结构相互作用系统分析涉及三大问题 地震动特性及地震动输入 本构关系（本构模型） 算法 地震动及地震动输入 ●地震动输入是土与结构相互作用研究的首要前提。包括： （1）抗震设防水准：根据功能目标确定。 （2）地震动输入方式： 地震动基准面确定 地基边界面上的输入地震动参数 （3） 输入量值大小 ●目前获得的地震动记录大都为地表记录，基岩面记录较少。 ●强震记录较少。 地震动输入方式： 设计地震动峰值加速度确定 地震波 纵波(P波) ：速度最大最先达到。 振动方向与传播方向一致。 引起地面上下颠簸振动 。 横波（S波）： 振动方向与传播方向垂直。 引起地面的水平晃动。 是地震时造成建筑物破坏的主要原因。 面波：乐甫波，雷利波: ● S波达到地表时，它包括SH和SV波动，前者在水平平面 上振动，后者在垂直平面上振动。 ●是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波。 ●由震源深处传播的地震波到达地表时其入射方向逐渐接近于垂直水平地表的 竖向。●地震加速度通常情况下取沿地表的两个水平分量和垂直于地表的竖向分量。●地震仪 ：分别接受地震时地面的水平振动和垂直振动 。 地震波选取 ●根据场地条件，通过调整实测地震波的幅值和时间尺度修正其频谱。 地震加速度振幅的缩放：不改变频谱特性和持续时间。 地震波卓越周期调整： ●用实测地震波作为输入。 ●基于规范设计反应谱合成人工地震波。场地地震危险性分析，给出不同超越概率下的峰值加速度作为基底输入的加速度。 人工地震波的合成 本构模型 ■土与结构相互作用系统动力灾变全过程分析。 ■在特定环境条件下结构工作性态分析。 ■非线性、非弹性数值分析的发展 1.线性粘弹性模型 岩土介质在动力作用下通常表现出明显的阻尼，阻尼作用使土 体中的动能消散而损耗。具有线性粘性阻尼土介质的应力应变 关系为： 2.非线弹性模型 岩土介质的线性模型一般只适用于低应力、土体不发生屈服的情况。当应力较高时，土体将发生屈服，应力应变关系是非线性的。土体发生屈服后，卸载路径不同于加载路径，卸载后存在不可恢复的塑性变形。非线性弹性模型模拟土体屈服后的非线性变形，但忽略应力路径的影响，即加载和卸载沿同一条路径。 Duncan-Chang模型 超弹性模型 3.弹塑性模型——双曲线模型 双曲线作为土的应力应变弹塑性模型的主干线（骨干曲线）它是对称于原点的 一条双曲线，其方程表示为： 4.等价非线性粘弹性模型 试验研究表明：循环加载过程的应力幅值和应变幅值之间的关系可用双曲线 表示。 等价阻尼比确定 定义等价阻尼比 为 二、混凝土材料本构模型 ■线弹性模型 ■非线弹性模型 ■塑性理论模型 ■其它力学理论类模型：粘性弹（塑）性理论、内时理论、断裂力学、损伤力学理论等。 1、线弹性本构模型 ■线弹性模型是弹性力学的物理基础。 ■只需要给出弹性模量E和泊松比ν的数值。 2、塑性理论本构模型 ■直接将塑性理论应用于混凝土材料的是弹性——理想塑性本构模型，以一维的应力应变关系表示。 ■混凝土发生破坏后应力立即降为零，不能分析混凝土在应力峰值后的强度下降（软化）过程。 ■单轴应力应变关系。 3、非线弹性本构模型 ■随着应力增加，变形按一定规律非线性增长，刚度逐渐减小；卸载时，应变沿原曲线返回，无残余应变。 ■模型表达式简明，直观，便于理解和应用。 ■不能反映卸载和加载的区别，不能应用于卸载、加载循环和非比例加载。 三、接触面本构模型及接触面单元 无限域和人工边界问题■对于静力荷载作用下土与结构相互作用进行分析时，可在离结构较远处截取土体边界，把问题直接转化为对结构和有限土体组成的体系进行分析。■对于土与结构动力相互作用问题，由于虚拟边界会把由结构辐射出来的波反射回已被截取的有限土体中，使波无法透过虚拟边界而辐射至无穷远处