饱和土-结构动力相互作用数值分析中地震波输入方法研究及应用

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数值模拟是解决饱和土-结构动力相互作用问题的重要手段,而有效的波动输入方法,是确保地震作用下饱和土-结构动力相互作用问题数值模拟精度的一个关键环节。本文对饱和土-结构动力相互作用问题分析中的地震波动输入方法进行了系统研究,基于单相介质人工边界子结构法,针对饱和多孔介质以固相位移u和孔隙压力p为基本未知量的u-p形式控制方程,推导了等效输入地震荷载的表达式,并结合流固耦合孔压单元和黏弹性动力人工边界条件,提出了一种饱和土-结构动力相互作用问题的地震动输入新方法,并将其实现于通用软件ABAQUS中。结合所提出的地震波动输入方法,研究了饱和地基场地中地铁车站在不同类型地震波作用下的动力反应特性。本文的主要研究内容和成果如下:(1)提出了一种适用于研究饱和土-结构动力相互作用数值模拟问题的新输入方法。从流体饱和介质u-p形式的流固耦合动力方程入手,将刘晶波提出的人工边界子结构法推广至饱和两相介质,推导了饱和两相介质的等效输入地震荷载的计算表达式,为新方法的提出奠定了理论基础;在新输入方法的实现过程中,主要针对如何将方法在数值模拟通用软件中实现为出发点,将流固耦合孔压单元和饱和多孔介质的动力人工边界结合,一并实现于通用软件ABAQUS之中,同时基于MATLAB计算平台开发了用于生成黏弹性人工边界文件(Spring&Dashpot.inp)的辅助程序,利用Python语言编写用于生成等效输入地震荷载输入文件(Amp&Cload.inp)的脚本,为新输入方法的实现提供了技术支持。(2)将提出的新方法用于饱和地基场地中地铁车站的动力反应特性研究中,分析了不同类型地震波作用下,场地土类型及入射波角度对地铁车站的动力反应的影响。新方法提出后,首先通过饱和自由场算例,验证了新输入方法可应用于地震波的垂直入射和斜入射。然后针对饱和地基场地中地铁车站数值分析模型,研究了在不同类型地震波作用下单相介质场地和饱和介质场地中地铁车站的地震反应特性,以及入射角度对地铁车站动力特性的影响。分析结果表明:由于孔隙水的存在,饱和场地中土-结构动力相互作用现象更为明显;在饱和场地中,相较于SV波,入射角度的变化对P波的影响更大;地下结构的动力响应特性受地震波类型影响较大。
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