数值模拟下的桩-土-核岛模型动力相互作用试验分析

根据群桩运动相互作用振动台试验和群桩惯性相互作用振动台试验，结合第二章介绍的近场波动数值模拟方法，在合理考虑人工边界，地震动输入，本构关系以及桩土接触面模型的基础上，通过 ABAQUS 软件采用整体有限元方法建立“土-桩-核安全壳”动力分析模型对振动台试验进行模拟，并结合试验结果与模拟结果，分析桩土相互作用规律，同时也检验建立数值计算模型方法的可行性。
第一章 绪 论

1.1 选题背景及意义

目前，我国大部分电力仍由传统化石能源提供，传统化石能源不可再生，还会产生严重的环境问题，而核电燃料储存丰富，能量密度高，属于清洁能源。现如今中国核电技术已经发展成熟，如图 1-1 所示在建和运营中的核电站数目较多，但大多分布在东部沿海地区。主要原因是东部沿海经济起步早，发展快，对电力需求大；其次沿海地区能提供核电站需要的大量冷却水。但由于核电站选址对地质要求非常高，一般都要求建在基岩场地，沿海地区适合新建的厂址将越来越少；加上内陆省份对电力的需求增加，核电站建设也会不断向内地发展；除此之外，为配合“一带一路”战略，中国核电也在不断“走出去”，如图 1-2，目前中国已与 20 多个国家达成核电建设合作意向。而核电站建设对地质条件的高要求势必对其发展造成阻碍，因此对在非基岩场地上建设核电站进行相关研究具有重大现实意义。

对于非基岩场地，为保证核电工程安全，对其基础形式的选择是建设前必须考虑的问题。桩基础具有较大的竖向和水平承载力，抗震性和稳定性好，结合核电结构质量大、刚度大，对振动较敏感的特点，桩基础是非基岩场地核电站建设的首选。考虑到目前国内外在非基岩场地上建设核电站的相关理论和经验较少，尤其是采用桩基后，在地震荷载作用下大质量、大刚度的核电结构与桩-土发生的动力相互作用将非常复杂，而这所造成的桩基破坏规律及其机理尚未有明确结论，因此对群桩-土-核电结构动力相互作用展开研究对我国核电战略和抗震减灾事业的发展具有重大意义。

1.2 研究现状

桩基础由于承载力高、沉降小、稳定性和抗震性好被广泛使用在各种建筑结构、桥梁、码头和海洋钻井平台等。一般认为桩基础具有优良的抗震性能，但是由于其埋在地下的掩蔽性，即使发生破坏也很难及时发现，因此对桩-土-结构动力相互作用进行研究具有天然的困难性，加之三者之间力学行为复杂，虽然目前已有部分研究结论，但是继续对桩基抗震机理和 PSSI 进行系统、深入的研究对保证核电结构安全和发展桩基抗震设计理论仍具有重大意义。土-桩-核安全壳结构的动力相互作用问题研究可以分为考虑运动相互作用和考虑惯性相互作用两种情况。考虑运动相互作用(Pile-Soil Interaction，简称 PSI)主要是指由于基础的存在，当地震波传到土-结构交界面时发生散射，造成交界面上点的运动状态与无基础存在时的自由场土层相应点位置运动状态不同的现象，其主要与基础的几何尺寸和刚度有关；而考虑惯性相互作用(Pile-Soil-StructureInteraction，简称 PSSI)则主要指上部结构的惯性力通过基底剪力和弯矩的形式作用在地基土上，产生附加应力和变形的现象，其主要与基础和上部结构的刚度和质量有关。目前对于土-桩-上部结构之间的动力相互作用研究，常采用的方法包括震害调查研究、现场试验研究、室内试验研究和理论分析等，如图 1-3 所示。

第二章 近场波动数值模拟在 ABAQUS 中的实现

2.1 引言

岩土工程抗震研究，可以大致分为三类，震害经验总结、理论分析和试验研究。震害经验只能看到最终的结果，缺少过程和原理，因此需要从理论分析和试验中寻找原理和物理现象的过程和规律，三者相辅相成，缺一不可。震害经验的总结依赖于地震后的震害调查，试验研究则主要借助于振动台模拟地震动输入或拟静力加载装置等来研究结构的地震响应。而数值模拟方法由于成本低、效果好在岩土工程领域备受部分学者青睐，许多专业的模拟软件如 opensees、plaxis、Flac3D 等，大型通用软件如 ANSYS、ABAQUS 等已经被引入工程领域。在上述程序的基础上，通过二次开发能对很多特定岩土工程问题进行数值模拟，且能得到很好的效果。如今利用软件进行数值模拟提前对试验结果进行预测或在试验后根据试验参数对建立的数值模型进行验证是很多学者和设计人员常用的两种方式，经过试验验证的数值模型也能为以后处理类似问题直接提供指导意见，节省试验成本。

一般来说，无论是地上结构还是地下结构，当研究其地震反应时都绕不开地基土，因为结构无可避免要与土体产生相互作用，而由于地基土依托于地球，广义上属于半无限空间，所以在进行数值模拟时不可能针对半无限空间土体建模，一是计算机无法满足如此巨大的计算力需求，二是距离地上、地下结构一定远的土体对于地上、地下结构的地震响应影响微乎其微，因此一般进行地上、地下结构的地震响应研究，都只考虑结构一定范围内土体，即只考虑近场波动问题。而所谓近场波动问题，就是将距离结构一定距离以外的土体简化为横向均匀（成层）弹性半空间模型，认为远场对于近场结构的地震响应影响是次要的。之后将结构和其附近的地基作为广义结构，在广义结构一定距离处设置人工边界就可以把包含广义结构的区域从地球无限域中切取出来，作为数值分析的计算区域。最后采用各种计算机程序对土-结构的动力反应进行求解(廖振鹏，2002)。

2.2 人工边界条件

在近场波动数值模拟中，必须选取包含所关心结构的区域作为计算区域，因为这个计算区域是人为切取出来的，所以把这个计算区域的边界叫做人工边界，而与实际的地基无限域相比，人为切取出来的区域边界必须满足一定的条件才能和实际情况相一致，所以也把要满足的条件叫做人工边界条件，人工边界条件决定了计算区域边界上节点的运动方程。至于计算区域内部的节点的运动方程则可以通过有限单元法来给出。(廖振鹏，2002)。因此人工边界的合理设置是近场波动问题求解正确的前提条件。国内最早进行人工边界问题研究的主要有廖振鹏，景立平，刘晶波，杜修力，赵密等。廖振鹏和景立平对透射边界、无穷远辐射条件和局部与全局边界条件的组合等问题进行过大量研究工作。目前在近场波动数值模拟中经常采用的人工边界模型主要有粘性边界、绑定自由度边界（TDOF 边界）、自由场边界、粘弹性边界、透射边界等。其中粘性边界(Lysmer，1969)的主要原理是在计算模型的人工边界上施加粘滞阻尼来消除反射，但其存在一定的局限性，例如对于非垂直入射平面波不能完全吸收，且基于外行波为平面波的假定与实际情况不符。之后基于外行波为球面波的粘弹性人工边界(deeks,1994;刘晶波，1998)被提出，它在粘性边界的基础上进行改进，能通过设置线性弹簧考虑地基的弹性回复力，相比粘性边界更符合实际情况；自由场边界通过将计算区域侧边界的位移和应力条件与自由场运动耦合的方式来吸收外行波；透射边界(廖振鹏，2002)则是通过内域节点的位移推导得到人工边界位移的方法建立的一类人工边界

第三章 群桩振动台试验方案.............................................................................. 15

3.1 引言......................................................................................................... 15

3.2 试验目的及内容..................................................................................... 15

3.3 模型制作................................................................................................. 15

3.4 传感器的标定......................................................................................... 20

第四章 群桩运动相互作用振动台试验.............................................................. 25

4.1 传感器布置方案..................................................................................... 25

4.2 加载工况................................................................................................. 29

4.3 试验结果与分析..................................................................................... 30

4.4 本章小结................................................................................................. 52

第五章 群桩惯性相互作用振动台试验.............................................................. 53

5.1 传感器布置方案..................................................................................... 53

5.2 加载工况................................................................................................. 57

5.3 试验结果与分析..................................................................................... 58

5.4 本章小结................................................................................................. 83

第六章 群桩动力相互作用三维数值模拟.......................................................... 85

6.1 引言......................................................................................................... 85

6.2 数值计算模型......................................................................................... 85

6.3 结果分析................................................................................................. 88

6.4 本章小结................................................................................................. 94

第六章 群桩动力相互作用三维数值模拟

6.1 引言

根据群桩运动相互作用振动台试验和群桩惯性相互作用振动台试验，结合第二章介绍的近场波动数值模拟方法，在合理考虑人工边界，地震动输入，本构关系以及桩土接触面模型的基础上，通过 ABAQUS 软件采用整体有限元方法建立“土-桩-核安全壳”动力分析模型对振动台试验进行模拟，并结合试验结果与模拟结果，分析桩土相互作用规律，同时也检验建立数值计算模型方法的可行性。

6.2 数值计算模型

6.2.1 有限元模型

根据《核电厂抗震设计标准》（GB 50267-2019）规定，安全壳宜采用有限元模型，当考虑结构、基础和地基的相互作用时，可采用整体方法。因此本章根据群桩振动台试验模型具体情况和尺寸在 ABAQUS 中建立整体有限元模型，三维模型网格如图 6-1 所示。其中土体和群桩模型以及上部的安全壳的有限元模型为实体单元。采用 8 节点缩减积分单元进行离散。所有的钢筋采取嵌入的方式埋入混凝土的实体单元中。采用 2 节点杆单元（T3D2）对钢筋进行离散。由于为对振动台试验进行模拟，试验模型尺寸本就较小，因此选择土体单元尺寸为 0.2m*0.2m*0.135m，考虑到桩周土体非线性较强，为能良好反映其非线性效果，对桩周土进行加密；群桩模型尺寸 0.1m*0.1m*0.05m。群桩结构和周围土体间的接触行为采用主从接触面法，选择 ABAQUS 中的库伦摩擦模型模拟。根据主节点允许穿过从接触面，从节点不能侵入主接触面的原则。在模拟中应该选择桩身为主接触面，桩周土为从接触面。摩擦模型的法向行为采用硬接触，允许接触后分离。切向行为采用摩擦接触，根据罚函数设置摩擦系数
该论文为收费论文，请扫描二维码添加客服人员购买全文。

以上论文内容是由硕士论文网为您提供的关于《数值模拟下的桩-土-核岛模型动力相互作用试验分析》的内容，如需查看更多硕士毕业论文范文，查找硕士论文、博士论文、研究生论文参考资料，欢迎访问硕士论文网工程力学论文栏目。