问题描述:
如何定义土层的瑞利阻尼参数?
解答:
尽管动力学领域已经开展了大量研究,但在土层的阻尼定义方面,尚未形成普遍统一的方法。为了满足工程需要,通常会采取一些简化的措施来考虑材料阻尼。一个常用的工程参数是阻尼比 ξ,阻尼比定义为: ξ=1 时表示临界阻尼,即单自由度系统从初始位移释放后,恰好停止而不发生反弹所需的阻尼量。在瑞利阻尼中,可以建立阻尼比 ξ 与瑞利阻尼参数 α 和 β 的关系为:
α + βω2 = 2ωξ , ω= 2πf
其中,ω(rad/s)是系统的角频率;f (Hz)为系统的工程频率。
在 PLAXIS 中,当瑞利阻尼输入方法设置为等效单自由度系统(SDOF equivalent)时,只需指定目标阻尼比和目标频率,程序会自动计算瑞利阻尼参数 α 和 β:
为了校准与目标 1 和目标 2 对应的频率,必须确保在土层相关的频率范围内阻尼比保持大致恒定。为准确模拟系统对动力荷载的响应,两个频率的比值 ω2/ω1 或 f2/f1 应保持在大约 3(或最终小于 3)的范围内。如果比值远大于 3,可能导致在场地效应更为显著的频率区间内出现显著的欠阻尼效应。
土层的固有频率 f1 可根据土层分布和材料刚度确定,并与剪切波速通过以下公式相关联:
f1 = vs / 4h
其中,vs 是土体中的剪切波速,h 为土层厚度。
另一方面,输入运动的主频 f2 可以通过输入加速度图的傅里叶谱确定。输入运动包含多个频率分量,而主频受输入频率和系统固有模式的共同影响。
当土体沉积的固有频率与输入运动的主频接近时,可能会在场地效应更为显著的频率范围内导致显著的欠阻尼响应。这种情况在模型中仅考虑瑞利阻尼而未包括滞回阻尼(例如使用 HS small 模型)时尤为突出。
针对这种情况,Amorosi 等(Amorosi, A., Boldini, D., Elia, G. (2010). Parametric study on seismic ground response by finite element modelling. Computers and Geotechnics, 515–528.)提出了一种替代方法,他们建议考虑包含最高能量含量的频率区间,这可以通过分析不同深度处土层的傅里叶谱以及地表与基底之间的放大函数来评估。此方法有助于克服由于 f2/f1 比值过大而可能产生的误差。
此外,建议不要使用简化的瑞利阻尼公式,即将小应变粘性阻尼效应仅视为与土层的刚度成正比:C = βK(不推荐)。简化的瑞利阻尼公式可能导致对场地响应的低估,特别是在土层固有频率与输入运动的主频相差较大时。