基于FEM与TD-BEM时间交错耦合方法的小麦筒仓-桩-土相互作用系统抗震性能研究

针对软土地区小麦筒仓结构抗震设计中桩-土-结构相互作用机制不明确的问题，研究人员提出了一种基于有限元法(FEM)与时域边界元法(TD-BEM)时间交错耦合的三维动态分析框架，揭示了不同填充状态和桩型对系统抗震性能的影响，为优化筒仓抗震设计提供了理论依据。

　　

在软土地区，柱支撑式小麦筒仓作为粮食仓储的关键设施，其抗震安全面临严峻挑战。这类结构因重心高、连接节点复杂，地震中易发生倾斜甚至倒塌，而软土地基的放大效应更会加剧破坏风险。传统研究多通过简化模型分析筒仓或地基的单一响应，忽视了小麦-筒仓-桩-土(WSPS)系统的整体耦合机制，且数值模拟中因材料差异导致的时间步长不匹配问题长期未解。

针对这一难题，河南工业大学（Henan University of Technology）的Xiaofei Qin团队创新性地开发了FEM与TD-BEM时间交错耦合的三维动态分析框架。该研究通过将WSPS系统解耦为小麦-筒仓-桩（非线性FEM模拟）和无限域土体（TD-BEM模拟）两个子系统，采用独立时间步长策略，既保证了波传播模拟精度，又显著提升了计算效率。相关成果发表于《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》。

关键技术包括：1）建立考虑材料非线性的小麦-筒仓-桩FEM模型；2）采用TD-BEM精确模拟无限域土体中的地震波传播；3）开发时间交错耦合算法协调两子系统求解；4）基于EI Centro波输入对比不同填充状态（空仓ES、半仓HS、满仓FS）和桩型（等截面桩、扩底桩、变截面桩）的系统响应。

研究结果揭示：
小麦-筒仓子系统对地基地震响应的影响
满仓状态下地基加速度响应较空仓增强23.5%，且扩底桩能有效降低桩顶弯矩峰值达18.7%，证实桩型选择对软土区筒仓抗震性能具有调控作用。

筒仓壁加速度响应特性
WSPS系统较固定基底模型加速度放大效应显著，满仓时顶部加速度放大系数达2.1，与振动台试验结果吻合，验证了土-结构相互作用(SSI)的不可忽略性。

桩身内力分布规律
变截面桩在桩-土交界面处弯矩突变明显，而等截面桩更易在桩顶形成塑性铰，说明桩身刚度梯度设计直接影响能量耗散路径。

该研究首次实现了WSPS系统全耦合动态响应的精细化模拟，其时间交错耦合方法为多尺度动力系统分析提供了普适性框架。结论强调：软土区筒仓抗震设计需平衡桩基刚度与桩型选择，扩底桩在控制地基变形与结构内力间展现出最佳协同效应。研究成果为《粮食仓储设施抗震设计规范》的修订提供了理论支撑，尤其对"一带一路"沿线软土地区的粮库建设具有指导价值。