摘 要

目前我国规范对于建筑物的地震响应，通常假设为：结构基础与地基土是绑定在一起的，即基础与地基土之间无相对位移。而事实上，结构受重力作用支撑于地基上，强烈的地震动作用引起的倾覆力矩将超过由于重力所提供的稳定力矩，结构底部将和地基土脱开而发生提离（uplift），甚至产生倾覆。

本文首先介绍了接触单元法的简化过程，据此确定考虑基础提离与不考虑基础提离的设置方法；然后，利用ABAQUS软件，分别设置考虑基础提离与不考虑基础提离时的约束条件，建立基于接触单元法的单柱计算模型，计算分析柱子在地震作用下的响应特性。对其中一些有关键性影响的因素进行参数分析，主要考虑土体柔度、结构高宽比、柱子刚度、地震波的类型等。据此，对比两种情况下（考虑基础提离与不考虑基础提离）单柱地震响应的不同之处，研究基础提离对柱子地震响应的影响。并与振动台试验数据进行对比，验证本文计算模型和方法的合理性。

研究结果表明：（1）本文提出的计算模型和方法能用于结构基础提离地震响应的计算分析（2）基础提离主要影响柱子的竖向响应，而对水平相应的影响并不显著；（3）地基土越软、柱子的高宽比越大、柱子刚度越大时，柱子越容易发生基础提离现象；（4）不同的地震波类型包含不同的频率成分，因此，地震波类型对柱子地震响应影响较大。本文的研究成果可完善土-结构动力相互作用分析理论。

关键词：基础提离；地震响应；接触单元；提离比；振动台试验

Abstract

At present our country specification for seismic response analysis of the structure is assumed as that the structure foundation and soil is fixed together. In fact, structures are affected by the gravity. The overturning moment aroused by the strong action of earthquake is bigger than the stabilization moment caused by the gravity, leading to that the bottom of structure will separate from the footing and lift off, even producing overturning.

The spring element method to simplify the process is introduced firstly. The setting methods considering uplift and not considering uplift are determined based on the contact element method. Then, single column calculation model based on the contact element method is established by ABAQUS to calculate and analyze earthquake response characteristics in the two cases －considering and not considering uplift. Some key influencing parameters were analyzed, mainly considering flexibility of soil, height width ratio of structure, rigidity of column, the types of seismic wave etc. Accordingly, the differences between footing uplift and no uplift are calculated and compared, to research the effect of uplift on the seismic response of the columns. The calculation results are compared to the data in the shaking table test, to verify the rationality of the calculation model and method in this paper.

The research results show that: 1）The calculation models and methods proposed in this paper can be used to calculate the seismic response of structures. 2）Uplift mainly effects vertical response of column，and it effects horizontal response little. 3）Column is more likely to occur uplift phenomenon when soil is softer, or height width ratio of column is bigger, or rigidity of column is bigger. 4）Different type of seismic wave contains different frequency components. Therefore, type of seismic wave greatly impacts the seismic response of the column. The research results of this paper can improve the soil-structure dynamic interaction analysis theory.

Key Words： Foundation uplift; seismic response; contact element; uplift ratio; shaking table test

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究内容 3

第2章 考虑基础提离的基本计算方法 5

2.1 接触单元法 5

2.2 提离的判断方法 6

2.3 影响体系地震响应的主要因素 6

2.4 分析体系地震响应的主要指标 6

第3章 基于接触单元的单柱计算分析 8

3.1 计算模型 8

3.2 计算结果及分析 10

3.2.1 标准工况 10

3.2.2 剪切波速影响分析 12

3.2.3 柱子高宽比影响分析 14

3.2.4 柱子刚度影响分析 15

3.2.5 地震波类型影响分析 17

3.2.6 不考虑基础提离时柱子地震响应分析 19

第4章 试验分析 21

4.1 试验介绍 21

4.1.1 模型试验的类型 21

4.1.2 原型结构的选择 21

4.1.3 模型箱的设计与制作 21

4.1.4 模型土的设计与配制 22

4.1.5 监测方案 23

4.1.6 加载制度 25

4.2 试验结果 25

4.3 试验结果与计算结果对比 27

第5章 结论与展望 28

参考文献 29

附录 攻读学位期间发表的学术论文 31

致 谢 32

第1章 绪论

1.1 引言

基于承载力（Capacity Design）的现行结构抗震设计理念是通过加强结构构件，使其能承受超过其设防烈度的强震，如我国抗震规范中规定的“大震不倒”。在该理念指导下，结构抗震设计基于两方面假设：地基土是刚性的，即不会发生变形；基础底部和土体是固定的，即不会发生分离。实际上，在地震激励下，地基土的柔性和变形能力不能忽略。一旦地震作用较大，结构基础与地基土之间会发生相对位移，剧烈的地震动使得上部结构不断摇摆从而脱离基础，甚至倾覆倒下。

近20多年来世界各地发生了大量超过设防烈度的强震，使人们认识到地基土柔性的影响，地基与基础在强震时的非线性是不可避免的^[1]。对于第二个假定，我国研究者所做的工作相对较少。然而在过去的一些地震中，基础提离仍被观测到，如在1952年美国蒂哈查皮地震和1964年的阿拉斯加地震中，许多石油裂化塔从底部的土体中提离出来^[2,3]。只要地震引起的倾覆力矩足够大，基础提离达到一定的程度，结构便很有可能整体倒塌。