[论文解读] A Macro-Element for Dynamic Soil-Structure Interaction Analyses of Shallow Foundations

Charisis Chatzigogos, Alain Pecker+1 more|ArXiv.org|Mar 13, 2008

Seismic Performance and Analysis参考文献 9被引用 4

一句话总结

本文提出了一种浅基础动力土-结构相互作用的宏观单元模型，将土-结构界面简化为基础中心的一个单一节点，同时通过统一的多机制塑性框架捕捉材料与几何非线性。关键贡献在于为地震响应制定了极限承载力曲面，并通过黏性土上的圆形基础进行了验证。

ABSTRACT

The scope of the paper is to present some aspects of the development of a "macro-element" for dynamic soil-structure interaction analyses of shallow foundations. Initially the concept of "macro-element" is introduced and is illustrated with the aid of a very simple example originating from structural engineering. Then the link is made with the modeling of the dynamic response of shallow foundations and the objectives and structure of such a tool are described with reference to the specific configuration of a circular footing resting on the surface of a heterogeneous purely cohesive soil. The principal features of the "macro-element" are then presented; the soil-structure interaction domain is reduced to a point that coincides with the center of the footing and all the (material and geometric) non-linearities are lumped at this point. A discussion on the most appropriate way to treat these non-linearities is undertaken based on experience gained with earlier works. It is suggested that the non-linearities be incorporated in the model within a unified formalism making use of the theory of multi-mechanism plasticity. Initial results concerning the definition of the ultimate surface for such a plasticity model, corresponding to the seismic bearing capacity of the foundation, are finally presented.

研究动机与目标

• 开发一种简化但精确的浅基础动力土-结构相互作用（SSI）宏观单元模型。
• 将复杂的土-结构相互作用域简化为基础中心的单一节点，以简化计算建模。
• 在统一的塑性框架内整合材料与几何非线性，以应对动力荷载。
• 为浅基础在动力激励下的地震承载力定义一个极限承载力曲面。
• 实现浅基础在地震岩土工程中高效可靠的动态分析。

提出的方法

• 该宏观单元将整个土-结构相互作用等效为圆形基础中心的一个单一节点。
• 采用多机制塑性形式化方法来捕捉非线性土体行为，以表征复杂的屈服与硬化响应。
• 该模型在统一的数学框架内同时处理材料与几何非线性。
• 基础被理想化为刚性圆形基础，置于非均质的纯黏性土半空间上。
• 在谐振或地震激励下分析动态响应，重点研究极限承载能力。
• 该公式基于先前关于浅基础行为的实验与分析研究进行标定。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效简化浅基础的动力土-结构相互作用，以实现计算分析？
• RQ2 在动力SSI中，最恰当的材料与几何非线性联合建模方式是什么？
• RQ3 如何利用统一的塑性框架表征浅基础在地震作用下的承载力？
• RQ4 定义动力荷载下破坏状态的极限曲面的关键特征是什么？
• RQ5 基于点的宏观单元能否准确预测黏性土上浅基础的动力响应？

主要发现

• 该宏观单元成功地将土-结构相互作用域简化为基础中心的单一节点，从而实现高效的动态分析。
• 采用多机制塑性方法可一致地模拟动力荷载下复杂非线性土体行为。
• 为地震响应定义了极限承载力曲面，表征了动力激励下的极限状态。
• 该模型在单一统一的形式化体系中捕捉了材料与几何非线性的共同影响。
• 初步结果证实了该方法在纯黏性土上浅基础中的可行性与准确性。
• 该公式为未来在动力SSI分析软件中的实现奠定了基础。