饱和砂土与结构动力相互作用的建模与高效分析方法

为了揭示饱和砂土地基上结构震害机理以及满足性态设计对结构地震响应预测的要求，需要考虑饱和砂土-基础-结构之间的动力耦合效应以及无限地基土的辐射效应。现有分析方法的低效性难以胜任这一大型复杂三维系统的地震响应分析，使得现有研究工作集中在对结构或饱和土体的简化建模分析上，其分析结果满足不了抗震设计的需要。因此，需要寻求一种高效分析方法。本项目拟发展一种解耦高效的数值分析方法，并通过理论分析、数值模拟和模型试验，研究强震作用下饱和砂土地基上结构的震害机理。主要内容包括：（1）导出适合于饱和砂土的静-动力统一人工边界；（2）在每一时步将结构分析和土体分析进行解耦，发展一种三维饱和砂土-基础-结构动力相互作用高效分析方法；（3）通过离心机振动台试验，对该分析方法和模型进行验证。该研究将为饱和砂土地基上重大工程的抗震设计提供理论依据，并使得解决涉及饱和砂土与结构物动力相互作用的实际工程问题成为可能。

为了揭示饱和砂土地基上结构震害机理以及满足性态设计对结构地震响应预测的要求，需要考虑饱和砂土-基础-结构之间的动力耦合效应以及无限地基土的辐射效应。现有分析方法的低效性难以胜任这一大型复杂三维系统的地震响应分析，使得现有研究工作集中在对结构或饱和土体的简化建模分析上，其分析结果满足不了抗震设计的需要。因此，需要寻求一种高效分析方法。本项目拟发展一种解耦高效的数值分析方法，并通过理论分析、数值模拟，研究强震作用下饱和砂土地基上结构的震害机理。主要内容包括：（1）发展了一种适合于饱和砂土的静-动力统一人工边界；（2）根据解耦思想，发展了一种分析土体非线性反应的高效分析方法，并用于二维土体的非线性散射分析中；（3）发展了一种饱和地基基础阻抗函数的时域求解方法，可以考虑饱和土和干土交错复杂土层情形。分别讨论了泊松比、孔隙率、渗透系数、埋深和地下水位对无量纲动力柔度的影响。与以往方法相比，该方法可以考虑复杂地基情形和不规则基础形式；（4）发展了一种分析三维土-结动力相互作用的时域直接方法。该方法采用集中质量显式有限元和透射人工边界模拟无限域地基，上部结构采用隐式有限元方法进行分析，实现土与结构系统在地震作用下的整体分析。地基和上部结构可采用不同的时间步距进行分析，可大大提高效率。通过算例，验证了该方法的可行性；该研究将为饱和砂土地基上重大工程的抗震设计提供理论依据，并使得解决涉及饱和砂土与结构物动力相互作用的实际工程问题成为可能。