动力基础与地基协同工作动力分析

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1、武汉理工大学硕士学位论文1．1课题研究的意义第1章绪论任何建筑物都建造在一定的地层(岩层或土层)条件上，建筑结构体系是由上部结构、基础和地基三部分组成的，虽然各自具有不同的功能和研究的方法，但是在荷载作用下，他们是共同作用、相互影响的。地基和基础是建筑物的根本，其勘察、设计和施工质量的好坏将直接影响到建筑物的安全性、经济性和正常使用【l】。在传统的工程结构设计中，是将上部结构与地基基础分开来计算，分析上部结构时，假定地基是刚性、不变形的，而在进行基础设计时，则将上部结构作为荷载来考虑，从而忽略了上部结构的刚度对基础变形及内力的影响【5】

2、。将上部结构、基础和地基沿接触点或面分离后，虽然要求满足静力条件，但却完全忽略了三者间受荷前后的变形连续性，这种将彼此离散成独立结构的分析方法的缺陷是并不能真正的反应出地表运动的真实情况，也不能反应出上部结构与地基基础之间的动力相互作用。事实上，大型动力机器基础、高层建筑、核电站、地下工程、大型桥涵、海洋结构、高水坝、核电站结构物和海上采油平台等结构要受到诸如机器扰力、风荷载、地震作用和波浪等动力作用。以动力设备机器基础为例，动力机器运行时产生的动荷载，如不平衡惯性扰力，使机器及其基础产生振动，其中很大一部分振动能量将由土的弹性和粘滞作

3、用，通过辐射波的形式反馈到地基中去，从而影响基础附近地面的运动，使地基产生变形，而地基的柔性也会改变上部结构的动力特性，影响整个结构的自振周期和阻尼，于是上部结构、基础和地基组成了一个复杂的振动系统【6J。动力机器的动力荷载作用必然会引起基础及地基的振动，如设计不当，则可能产生一系列不良的影响。例如降低地基土的强度并增加基础的沉降量，影响机器正常运转；使工作人员的操作条件恶化，严重者甚至将影响其健康；另外，振动将通过地基土传到附近的设备、房屋、机器或者精密仪表，可能影响其正常使用。因此，研究动力基础与地基的协同工作对动力机器设计具有十分

4、重要意义‘21。随着研究的日益深入、工程测量手段和试验条件的不断发展以及计算机和各种大型有限元计算软件的发展，考虑上部结构与地基基础相互作用影响的分武汉理T大学硕士学位论文析方法也得到普遍的共识、研究和发展。大量的理论分析及研究表明，考虑上部结构与地基基础的协同工作对结构的动力特性有着非常重要的影响，特别对地震反应有显著的影响。并且对于不同的土层条件，不同的基础形式及不同的上部结构形式，相互作用体系所表现的变形和受力特征也不尽相同。上部结构与地基基础共同作用的分析研究主要包括两个方面的内容，一是静力学方面，即以连接部位的协调变形为条件，

5、用静力平衡来求解；二是动力学方面，即在扰力、地震或其它动力荷载作用下进行研究。在扰力、地震或其它动力荷载作用下，上部结构与基岩部分的运动有所差异，并且上部结构或桩基的存在会影响地基土的运动，这使得在动力荷载作用下的对于上部结构与地基基础的动力相互作用分析更为复刹圳。1．2国内外研究现状结构与地基相互作用的分析研究是伴随着工程实践而提出的，这一问题的研究最早起源于1904年Lamb对弹性地基振动问题的分析，到1936年前苏联地基基础研究所和德国土力学学会等对土力学及动力基础进行了一系列的实验和研究，其中Rdssner通过对Lamb解的积分

6、得到了刚性圆盘在竖直向振动时的稳态解，才真正开始对上部结构和地基基础的动力相互作用的研究【1】。上部结构与地基基础的动力相互作用研究工作大致经历了以下几个阶段：30、40年代为萌芽阶段，这期间由Martel提出关于建筑物地震反应的上部结构与基础相互作用的定义；50、60年代为基本理论准备阶段，这期间许多研究者获得了圆形和矩形基础在应力边值条件下的平移、旋转、扭转及振动的瞬态和稳态解析解，其中Bycrofi在1956年给出了无限基础上刚性圆盘在平动与转动情况下的稳定态，Tnomson等在1963年得到了矩形基础的解，Sandi等指出了地基

7、柔性的主要影响因素是有效的基本周期和有效的阻尼，1967年Parmdee在Bycrofc研究的基础上建立了上部结构与基础动力相互作用的基本方程，初步揭示了惯性相互作用的基本规律【9】。1976年Luco等给出了任意形状基础在完全结合边界条件下的解。这些研究虽然一般都假定地基是均匀无限且基础是直接位于地基表面上的，但这些研究工作为上部结构和基础的动力相互作用的研究建立了必要的理论基础；70、80年代中期为相互作用分析计算方法研究阶段，这期间除继续采用解析方法外，还引入了数值方法，经过对各种分析方法的优缺点的讨论和争论，关于结构与基础相互作

8、用的基本现象渐渐被理解和接受。此后，随着数值计算理论、计算机技术和大型有限元分析软件的发展，以2武汉理工大学硕士学位论文及一些重大工程的相继修建，推动了结构和基础动力相互作用的迅猛发展，对其的分析也由线性发