海床與跨海橋梁動力相互作用體系的建模與分析

應(yīng)用理論分析和大型振動臺模型試驗(yàn)的方法，研究了海床—基礎(chǔ)—海水—橋梁結(jié)構(gòu)互饋體系在地震和海浪聯(lián)合作用下的動力學(xué)建模及動力反應(yīng)分析與計(jì)算方法，重點(diǎn)建立了重大跨海橋梁工程結(jié)構(gòu)與海洋沉積層相互作用體系動力反應(yīng)預(yù)測理論。并用振動臺模型試驗(yàn)校核和修正理論模型與分析方法。研究結(jié)果將對我國正在規(guī)劃中的跨海大橋建設(shè)提供直接的技術(shù)支持。 2100433B

本課題擬以先進(jìn)的土工試驗(yàn)、理論分析與非線性數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的研究方法，基于u-p格式的廣義Biot動力固結(jié)理論、彈塑性動力學(xué)理論以及摩擦接觸理論，建立地震、波浪荷載耦合作用下海底隧道-海床土動力相互作用的有限元計(jì)算模型和分析方法，綜合考慮海床土多相孔隙介質(zhì)性、土體與結(jié)構(gòu)接觸非線性以及無限域能量輻射效應(yīng)等多種復(fù)雜因素，探討處于地震、波浪荷載耦合作用下的實(shí)際海洋土體和海底隧道結(jié)構(gòu)物相互作用體系的非線性動力響應(yīng)特性。在總結(jié)大量的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和規(guī)律的基礎(chǔ)上獲取海洋土樣的物理力學(xué)指標(biāo)與相關(guān)本構(gòu)模型參數(shù)，研究復(fù)雜的海洋環(huán)境下飽和海床土體的動力強(qiáng)度和動力變形特性以及海底隧道的動力變形模式，揭示海底隧道-海床動力相互作用系統(tǒng)的破壞機(jī)理和失效模式，從而為我國近海重大交通工程的抗震減災(zāi)關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)發(fā)展以及海洋資源開發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，也為完善海洋平臺建筑物的設(shè)計(jì)和施工提供參考依據(jù)。

以高層建筑與地基基礎(chǔ)動力相互作用這一問題為重點(diǎn)，主要研究：相互作用體系的動態(tài)相似理論；模型試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法；考慮相互作用后模型試驗(yàn)時的輸入；樁—土動力反應(yīng)的量測方法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析；相互作用體系的動力分析理論和抗震設(shè)計(jì)方法。研究成果對于豐富和完善動力相似理論、提高我國高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)水平具有重要的意義。 2100433B

本項(xiàng)目針對海洋結(jié)構(gòu)物與海床的非線性動力相互作用問題開展了較為系統(tǒng)的試驗(yàn)研究與數(shù)值計(jì)算工作。主要的研究內(nèi)容和研究成果如下： 1. 復(fù)雜應(yīng)力路徑下海洋土力學(xué)特性的試驗(yàn)研究 對“豎向-扭轉(zhuǎn)雙向耦合空心圓柱扭剪儀”進(jìn)行了開發(fā)與完善，并針對密實(shí)度為60%的福建標(biāo)準(zhǔn)砂開展了室內(nèi)土工試驗(yàn)研究，探討了不同固結(jié)條件和不同應(yīng)力釋放條件下(排水和不排水)土體的液化特性，總結(jié)了動荷載作用下海洋土層中孔隙水壓力的增長模式以及偏壓固結(jié)狀態(tài)下土體的變形特性和孔隙水壓力特性。所得的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行非線性擬合獲得孔壓應(yīng)力模式的數(shù)學(xué)模型，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合良好，而且用于數(shù)值計(jì)算簡單、直觀。根據(jù)一系列的土工試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)的歸納與分析，確定動力彈塑性本構(gòu)模型PZ-III中的模型參數(shù)，并針對砂質(zhì)海床的模型參數(shù)給出合理的建議值和適用范圍。 2. 海洋結(jié)構(gòu)物-海床非線性動力相互作用體系的數(shù)值計(jì)算模型和方法 以飽和土動力固結(jié)分析程序DIANA-SWANDYNE III為平臺，利用針對海床-結(jié)構(gòu)體系動力相互作用問題開發(fā)的有限元計(jì)算子程序，建立了海洋結(jié)構(gòu)物-海床相互作用體系的有限元模型，并通過對海洋結(jié)構(gòu)物和海床進(jìn)行的三維數(shù)值模擬，預(yù)測了海床中累積超孔隙水壓力的空間分布與時程變化規(guī)律，探討了土性參數(shù)和結(jié)構(gòu)物幾何特性對動力荷載所引起的結(jié)構(gòu)物周圍海床中累積超孔隙水壓力分布的影響。計(jì)算中采用三維動力非線性本構(gòu)模型Pastor-Zienkiewicz III廣義塑性本構(gòu)模型，并與已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和彈性數(shù)值模型進(jìn)行了比較，考查了波浪參數(shù)、海床土參數(shù)以及結(jié)構(gòu)物外形尺寸對波浪引起的超孔隙水壓力的影響。 3. 考慮復(fù)雜影響條件的海洋結(jié)構(gòu)物-海床動力相互作用體系的破壞機(jī)理和失效模式 以飽和孔隙介質(zhì)的Biot動力固結(jié)理論為基礎(chǔ)，以飽和土動力固結(jié)分析程序DIANA-SWANDYNE III為平臺建立了海床-海洋結(jié)構(gòu)物相互作用的計(jì)算模型，考察了了在地震荷載和波浪荷載的聯(lián)合作用以及波流荷載共同作用下海底結(jié)構(gòu)物的動力響應(yīng)以及結(jié)構(gòu)物周圍土體的孔隙水壓力的變化，并討論了荷載作用對海洋結(jié)構(gòu)物動力響應(yīng)的影響，揭示了海床-結(jié)構(gòu)物體系動力失穩(wěn)破壞的機(jī)理和規(guī)律。 2100433B