土—細長結構物相互作用的非線性動力學研究.pdf

1、在土木工程領域，土-結構相互作用問題是結構動力響應分析及相關設計的重要組成部分。在地震動激勵下，以大跨度橋梁和重大巖土工程為例，其下部結構物的動力響應均對結構體系的抗震性能有重要影響。由工程實際可知，結構物的下部基礎通常為細長結構物，且按基本特征可分為橫向細長結構物（彈性地基梁）和縱向細長結構物（樁）。從傳統(tǒng)的觀點看，已有研究普遍認為彈性地基對其支承結構物有較強的約束作用，并將顯著抑制土-結構相互作用的動力響應。因此，對于土-細長結構物

2、相互作用的已有研究則多關注其線性特性，并弱化了土-結構相互作用特性對于結構物動力響應的影響效應。顯然，將非線性動力學理論運用到土-細長結構物相互作用動力響應建模及分析的研究仍十分少見。
　　 為精確揭示土-細長結構物相互作用的動力響應，需要將土-結構相互作用效應在結構動力響應中的貢獻引入到系統(tǒng)的建模分析中。通過系統(tǒng)研究可知，若考慮土-結構相互作用引起的二次彎矩效應，則土-細長結構物相互作用精細化模型的非線性動力學方程中將含有多種

3、非線性項:平方非線性、立方非線性和參數(shù)激勵項。因此，從非線性動力學角度看，此時土-細長結構物相互作用的動力響應中可能存在非常豐富的非線性動力學現(xiàn)象。為全面揭示土-細長結構物相互作用的非線性動力學特性，本論文考慮土-結構相互作用影響效應及細長結構物的幾何非線性，建立了彈性地基梁和樁的精細化動力學模型。進而，結合非線性動力學理論，運用多尺度方法對土-細長結構物的非線性動力響應進行系統(tǒng)研究。同時，基于理論計算結果，分析了彈性地基參數(shù)、地基模型

4、、邊界約束等對土-細長結構物相互作用非線性動力響應的影響。最終，為促進研究成果的應用，與理論試驗設計和統(tǒng)計分析相結合，針對土-細長結構物相互作用的非線性動力響應提出了動力參數(shù)篩選及設計方法。本論文的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點為以下幾個方面:
　　 1.鑒于土-結構相互作用問題的重要性，本文首次將土-結構相互作用引起的二次彎矩效應引入到非線性動力學研究中?；诒疚难芯靠芍?結構相互作用引起的非線性特性可歸為一類新的非線性現(xiàn)象。新非線性特

5、性的發(fā)現(xiàn)拓展了非線性動力學的理論研究，有重要的理論意義。
　　 2.為研究彈性地基模型對其支承結構物動力響應特性的影響，本文在推導出三參數(shù)(Kerr模型)地基反力的顯式近似表達式的基礎上，給出了四種常見模型(Winkler、Vlasov、Pasternak、Kerr)地基反力的統(tǒng)一表達式。進而，提出了彈性地基模型對結構物動力響應影響效應的對比評價方法。
　　 3.將土-結構相互作用產(chǎn)生的二次彎矩效應引入到土-細長結構物的

6、動力學建模中，分別利用Newton法和Hamilton原理建立了彈性地基梁的非線性動力學模型。進而，研究了土-結構相互作用效應對于彈性地基梁非線性動力響應特性的影響。并且，通過彈性地基梁非線性內(nèi)共振響應研究發(fā)現(xiàn)，二次彎矩效應導致了連續(xù)系統(tǒng)保守特性的破壞。
　　 4.基于本文所建模型，對彈性地基梁的自由振動進行了分析，發(fā)現(xiàn)其面內(nèi)運動固有頻率譜中存在截止頻率。進而，對比研究了系統(tǒng)在截止頻率前后的模態(tài)構型及線性和非線性動力響應特性。顯

7、然，本文提出的精細化模型可更全面地揭示不同場地支承時細長結構物的動力學特性。
　　 5.將二次彎矩效應影響引入到縱向細長結構物的動力響應研究中，運用Hamilton原理建立了水平/軸向受荷樁的非線性動力學分析模型。進而，與非線性動力學理論相結合，研究了樁的多階屈曲現(xiàn)象及屈曲頻率問題。為拓展研究并結合工程實踐需求，在群樁基礎的非線性動力響應研究中考慮群樁效應影響，并對比研究了群樁效應對系統(tǒng)動力響應中土-結構相互作用效應的影響。