土动力学问题数值模拟中的参数敏感性分析

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1、密级：公开工学硕士学位论文土动力学问题数值模拟中的参数敏感性分析ParameterSensitivityAnalysisinNumericalSimulationofSoilDynamicProblems培养单位：土木工程学院专业：结构工程研究生：董士欣指导教师：白建方讲师二○一八年六月独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石家庄铁道大学或其它教育机构

2、的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：关于论文使用授权的说明本人完全了解石家庄铁道大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将论文加入《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》和编入《中国学位论文全文数据库》。本人授权石家庄铁道大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。(保密的论文在解密后应遵守此规定)作者签名：日期

3、：导师签名：日期：摘要由于土体材料力学特性的复杂性和场地的半无限域特性以及地震作用的随机性，使得在用有限元方法进行场地地震反应分析时面临一系列的不确定性因素。在此背景下，本文应用PLAXIS2D软件，对场地侧向人工边界距离的选取、底部人工边界的设置、土体材料阻尼的模拟等场地地震反应分析中几类关键问题进行了详细的研究，主要工作如下：针对粘性边界，自由场边界，结合自由度边界等三种常用的人工边界类型，结合均匀场地模型和分层均匀场地模型，采用数值试验的方法研究了场地地震反应分析中侧向人工边界距离的选取问题。

4、分析了不同剪切波速、不同激振频率、不同阻尼比、不同输入波频谱特性以及不同本构模型等各主要因素对人工边界距离选取的影响。研究显示，单侧人工边界距离与土层深度之比L/h是影响人工边界距离选取的主要参数，在水平激振作用下，结合自由度边界的效果最好，其次为自由场边界，粘性边界所需边界距离最大；在各因素中，不同激振频率和不同剪切波速以及不同阻尼比对人工边界距离的选择影响不大，不同本构模型和不同输入波频谱特性对边界距离的选取影响显著；随着L/h的增加，有限元模型的计算误差并不一直减小，在局部范围内，会出现计算误

5、差随着边界距离的增加而增大的现象。从底部人工边界概念出发，对比了均质场地地震反应分析的理论模型和有限元模型，研究了底部边界问题的实质及将其视为固定边界时可能对计算结果带来的影响。采用滞回阻尼假设，推导了同时包含辐射阻尼和材料阻尼的均质场地地表位移放大系数解析式。进而研究了材料阻尼和辐射阻尼的变化对放大系数的影响。提出了通过增加场地材料阻尼来弥补所忽略的辐射阻尼的思路，并给出了有限元建模时考虑辐射阻尼后新的材料阻尼的确定方法。利用PLAXIS2D软件的土工实验模拟功能分别对四种常用的岩土本构模型：线弹

6、性模型、摩尔库伦模型、土体硬化模型和小应变土体硬化模型在往复荷载下的理论滞回曲线进行了对比分析。在此基础上研究了不同本构模型的选择对自由场地震反应分析结果的影响以及不同本构模型中各参数的变化对动力计算结果的敏感性分析。研究结论为场地地震反应分析中本构模型的选择和合理判断数值分析结果提供了参考。关键词：人工边界条件；材料阻尼；本构模型；土工试验；场地地震反应分析；PLAXIS2DAbstractDuetothecomplexityofmechanicalpropertiesofsoilmaterial

7、sandthesemi-infinitefieldpropertiesofthesiteandtherandomnessofseismicaction,itmakesaseriesofuncertainfactorsintheanalysisofsiteseismicresponsebyfiniteelementmethod.Inthiscontext,thispaperusesPLAXIS2Dsoftwaretoconductadetailedstudyofseveralkeyissuesinth

8、efieldseismicresponseanalysissuchastheselectionofthelateralboundarydistanceofsite,thebottomartificialboundary,andthesimulationofsoilmaterialdamping.Themainworkasfollows:Inthispaper,threecommonlyusedartificialboundarytypessuchasviscousbo