单桩横向非线性动力响应简化分析方法研究研究

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1、湖南大学博士学位论文单桩横向非线性动力响应简化分析方法研究姓名：刘忠申请学位级别：博士专业：结构工程指导教师：沈蒲生20040501 博士学位论文摘要地震运动过程中，地基土—桩基础的横向动力相互作用，分别称为桩基础的横向惯性响应和运动地震响应。关于桩基础横向动力响应的简化分析方法，大多数采用基于线粘弹性假设的动力Winkler地基梁模型（动力p~y曲线法）。不过，线性分析仅局限于小位移梯度，而在强烈的地震运动过程中，由于应力集中，桩周土将产生较大的非线性应力场和位移场，导致土—桩界面分离，桩基础的动力响应，也将呈现强烈的非线性。因此，在线弹性

2、动力学理论框架下建立的简化分析方法，不能满意地描述桩基础的动力学响应。本文主要研究单桩横向非线性动力响应问题。首先，利用有限元分析软件ANSYS，构造了一个能够反映非线性因素影响的三维有限元模型，利用该模型，较为全面地研究了不同荷载作用下的单桩横向非线性动力响应，详细讨论了各种几何、物理参数和非线性因素对单桩横向非线性动力响应的影响。其次，根据数值模拟分析结果和地震运动过程中地基土—桩基础—上部结构系统动力相互作用的基本特征，采用描述迟滞非线性系统本构关系的Bouc-Wen模型，在Winkler-Kelvin地基模型的基础上，建立了一个新的、

3、能够考虑各种非线性因素影响的、研究单桩横向非线性动力响应的简化分析模型。该模型采用非线性Winkler-Kelvin地基模型，将复杂的地基土—单桩动力相互作用的三维问题，简化为一维问题，即，地基土对桩轴的横向非线性作用力，由随深度均匀分布的水平非线性弹簧模拟，非线性弹簧恢复力由退化的Bouc-Wen模型描述；地基土中由于能量耗散和内部摩擦而产生的幅射阻尼和材料阻尼，由与水平非线性弹簧并联的粘壶表示。该模型能够反映动力荷载作用下，桩周土的屈服、滞后性、变形积累、强度和刚度退化等材料非线性，以及土—桩界面分离等状态非线性，对单桩横向动力响应的影响

4、，可以较好地描述桩周土由弹性变形到塑性变形的整个非线性变形过程。该模型适用于不同的地质条件，计算参数都为土力学参数，可以利用现行的设计规范、通过拟合准静态单调加载或循环加载现场试验数据曲线，加以确定和校准。最后，利用该简化分析模型、相关的计算方法、以及运动响应因子的概念，分别研究了单桩横向非线性惯性响应和非线性运动地震响应问题，并进一步讨论了各种系统参数和非线性因素的影响。计算结果表明，本文建立的简化分析模型，能够有I 单桩横向非线性动力响应简化分析方法研究效地模拟单桩横向非线性动力响应问题。关键词：工程结构；单桩横向非线性动力响应；有限元；

5、Bouc-Wen模型；简化分析；惯性响应；运动响应II 博士学位论文ABSTRACTThelateraldynamicresponsesofpile-foundationintheearthquakearegenerallydividedintolateralinertialresponseandkinematicseismicresponse.Mostofthesimplifiedanalysismethodsfordynamicresponsesofpile-foundationadoptthedynamicWinklerfoundati

6、onmodels(thedynamicp~ycurvesmethods)basedonthelinearvisco-elastichypothesis.However,thelinearanalysisisonlywithinthelimitsofthesmalldisplacementgradient,whereasnonlinearstress-anddisplacement-fieldinthevicinityofthepilewillbegeneratedduetostressconcentrationandtheinterfaceo

7、fthesoil-pileleadedtoseparationandthedynamicresponseofpile-foundationalsopresentedintensenon-linearityinthestrongseismicmotion.Therefore,thesimplifiedanalysismethodsbasedonthelinearvisco-elasticdynamictheoriescannotsatisfactorilydescribethenonlineardynamicresponsesofpile-fo

8、undation.Responsesofthelateralnonlineardynamicsofsinglepilesarestudiedinthisdisser