考虑桩—土—结构相互作用的结构振动控制研究

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桩-土-结构相互作用和结构振动控制技术是当前抗震研究中的热点问题。本文对结构考虑桩-土-结构相互作用条件下,探讨了采用几种不同的隔震、减震及主动控制技术后的控制效果及其地震反应的特点,研究内容如下:1.研究了桩-土-结构相互作用对结构地震响应的影响。对于软弱地基上的桩基结构,在抗震设计时忽略桩基础对场地地震动的影响,其结果往往是得不到保证的。这是因为,由于桩-土-结构相互作用,地面地震动加速度反应谱较抗震规范的设计反应谱谱值可能明显增大,此时上部结构将遭遇到更强的地震作用。本文对桩-土-结构相互作用进行了系统分析,并以储罐为例,重点研究了桩-土-结构相互作用对特种结构的影响。采用储罐等效简化Haroun-Housner力学模型,在考虑到固液耦合问题以及桩土与储罐相互作用的情况下,建立了储罐考虑桩-土-相互作用的计算模型,推导了其运动方程,分析了PSSI对储罐地震响应的影响。分析结果表明:考虑PSSI,储罐晃动的地震反应几乎没有变化,而储罐的液固耦合的地震反应有明显的放大,相对与一般结构,储罐的液固耦合位移增大较明显,同时储罐基地剪力和基地弯矩有很明显的放大。2.研究了桩-土-结构相互作用对结构被动控制的影响。被动控制不需要外部能量输入,它是在原结构上某个部位附加一个子系统或是设置特殊构件,以改变结构的动力特性,从而达到减震的目的。被动控制的研究主要集中在基础隔震和耗能减震两个方面。在现实中应用较广泛的有夹层橡胶隔震装置、基底滑移隔震装置和TMD等,本文重点对考虑桩-土-结构相互作用的滑移隔震结构和TMD减震结构的地震响应进行了研究。分析结果表明:滑移隔振结构中,考虑PSSI时结构的地震响应会有所增大。但是否考虑PSSI对滑移层的位移响应影响较小。在桩基条件下,基于结构所设计的TMD都能较好的达到减小结构地震动的效果。不考虑PSSI而盲目设计的TMD不仅不能起到减小地震动的效果,有时甚至起到反作用。3.研究了桩-土-结构相互作用对结构主动控制的影响。在进行振动控制研究时,现有结构控制理论大多建立于刚性地基的假设,即忽略桩-土-结构相互作用。由于土的存在,使结构体系的振动特性发生改变,而很多主动控制和被动控制都是基于结构的振动特性设计的。这种控制模型与实际结构的差异将会降低主动控制的效果,甚至可能导致控制失败。本文在Penzien模型的基础上,建立了考虑桩-土-结构相互作用(PSSI)的计算模型,推导了其主动控制方程,分析了PSSI对结构控制的影响,以及土与结构各种主要参数对控制效果的影响。分析结果表明:考虑PSSI,结构地震响应有所加大,控制效果有所降低,最大控制力增大;在一定范围内,土的剪切波速、桩的截面惯性矩以及上部结构的基本周期对结构的主动控制有着显著的影响。4.研究了桩-土-结构相互作用对组合桩基结构主动控制的影响。在现代建筑中,很多情况下建筑结构呈相邻布置,如果将它们用适当的方法连接起来,形成组合结构,通过调节优化振动参数,则可利用结构间的相互运动来消耗和吸收振动能量,从而达到减轻结构振动的目的。本文提出了一种新的混合振动控制体系——组合桩基结构体系,推导了其考虑桩-土-结构相互作用(PSSI)的振动及控制方程,并分析了PSSI对组合桩基结构的振动控制影响,以及土与结构各种主要参数对控制效果的影响。分析结果表明:PSSI对桩基结构及联接体的位移响应影响较小,对加速度响应影响较大;桩周土的等效剪切波速、桩长以及桩基结构上部质量等在一定范围内对结构的主动控制有着显著的影响。
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