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我院青年教师付佳在地震工程领域顶级期刊EESD发文:土-结构相互作用简化模型的修正系数及实用化

发布时间:2018/09/03   作者:   点击:[]

虽然建筑物大多是三维空间矩形结构,但由于三维矩形基础阻抗函数的计算量太大,所以有关土-结构相互作用的研究一般都选用二维模型或轴对称模型。然而这些简化模型无法体现建筑物长宽比的情况,与实际还存在较大差距。近日,我院青年教师付佳通过计算机模拟,研究了将空间结构简化为平面模型而产生的误差,并提供修正系数图表以供实用化。由于二维土-结构相互作用模型的计算量小,适于应用推广,这项研究的成果可拓展二维模型的适用性并提高模型分析的安全性。研究成果以“Correction factors for SSI effects predicted by simplified models: 2D versus 3D rectangular embedded foundations”为题发表在地震工程领域的顶级期刊《Earthquake Engineering and Structural Dynamics》,论文链接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/eqe.3051

-结构相互作用模型的核心和难点问题是基础阻抗函数的计算。研究人员采用了一种全新的分布荷载格林函数和无奇异边界元法,来处理自由地表面和基础-土体交界面的混合边值问题。因分布荷载格林函数的梯度变化平缓且在域内不存在奇点,将其作为核函数后,边界元法在效率、精度、稳定性等方面都具有很大优势,可以最终通过超算集群得到高精度计算结果。

在计算机模拟计算中,将土-结构相互作用模型简化为水平层状半空间、单质点结构和基础三部分组成的动力系统,综合考虑了结构长宽比、埋深、刚度、高度、质量、场地地质情况、入射角度等问题,并以图表形式给出系统动力特性的修正系数曲线。二维模型在做定量分析时因存在低估系统动力响应的倾向,修正系数可以提高计算的准确性和分析的安全性。


美国抗震规范ASCE/SEI 7规定了考虑土-结构相互作用的计算步骤,此部分是基于简化模型得到的结果。研究人员通过算例分析发现,按照规范进行计算得到的基底剪力并不能保证安全性或缺乏安全储备。在工程抗震设计中,除非有确切依据能支持按照规范条文计算的安全性,否则对该部分内容应该谨慎采用。

   论文第一作者付佳毕业于天津大学,自2006年开始从事结构抗震理论、工程波动、工程地震等相关课题的研究。我们应该认识到,较少考虑土-结构相互作用的抗震设计和抗震研究,是相关研究水平未达到可规范化和工业化之前的基本合理的权宜之计。实际上因为土-结构相互作用过于复杂,分析计算成本过于高昂,工程师们一般除了将其忽略也别无选择。我们更应该认识到,在土-结构相互作用领域,我们需要做的工作还任重而道远。我国地处欧亚地震带和环太平洋地震带两大地震带上,绝大部分地区的建筑都需要进行抗震设防。每次地震都在提醒我们应该重视抗震设计中的基础研究,为日后我国和世界的抗震事业发展奠定良好基础。”


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