土-桩-框架结构动力相互作用非线性有限元模拟

目的 用有限元方法研究土-桩-框架结构动力相互作用动力反应效应.方法 以AN-SYS程序为工具和平台,选用符合实际工作机理的Davidenkov地基模型并定义其参数,利用ANSYS的重启动分析方法、采用APDL参数设计语言编制程序来实现对土体材料的非线性及动力本构模型的模拟;同时利用ANSYS中Combin14单元模拟黏弹性边界,以此建立人工边界来模拟辐射阻尼效应;并提出集成阻尼矩阵的方法,解决结构和地基土阻尼不同而导致的阻尼耦合的问题.结果 通过算例对土-桩-框架结构进行ANSYS分析,考虑土的非线性、接触边界非线性以及阻尼的耦合问题,研究了不同性质地基土的非线性以及不同上部结构对整个体系动力特性的影响.并与已有实验研究结果进行对比分析.结论 结果表明提出的有限元方法能很好的模拟整个相互作用体系的非线性效应,为工程实践与设计提供重要的理论依据.     

非饱和黄土场地桩-土动力相互作用试验研究

为了研究非饱和黄土场地桩-土动力相互作用，利用土工离心机振动台进行桩-土动力模型试验.获得桩身弯矩、桩侧土抗力、桩-土相对位移及动力p-y曲线，分析加速度幅值、桩基埋深对动力p-y曲线的影响.基于非线性文克尔地基梁模型，建立考虑远场阻尼效应、桩-土间隙效应的非线性动力p-y单元，通过有限元分析结果和该试验记录对动力p-y单元的有效性进行验证.结果表明，随着加速度幅值的增加，桩-土体系的耗能增强，土体刚度逐渐退化；桩侧土抗力与桩-土相对位移之间存在滞后性；采用建立的动力p-y单元，能够相对真实地模拟非饱和黄土场地的桩-土动力响应.     

地震时桩土动力相互作用的Penzien模型研究

为了检测在未来地震作用下,高层建筑结构的桩土支承体系能否经受得住考验,建立一种合理的桩土动力相互作用的分析模型.在对桩土支承体系运动方程研究的基础上,对Penzien模型的特征和该模型中刚度、质量、阻尼等参数进行了细致的分析与探讨,给出了确定这些参数的具体计算方法与公式.从而可为地震作用下桩土的动力相互作用研究,提供较为合理的分析模型.算例结果表明,Penzien模型能够考虑群桩的抗弯、抗扭效应,并能用于竖向和水平向的震动分析,详细揭示水平地震作用下桩、桩间与桩底土体、承台以及桩土体系的动力效应特征.     

土-结构相互作用系统地震动力特性的突变理论分析

地震荷载作用下,将土和结构作为一个系统,可较好体现地震作用下结构动力特性的影响.对一个简单的土-结构相互作用系统模型,计算了其动能和形变能,通过拉格朗日方程导得对土-结构相互作用系统的运动方程,并将其归结为以结构振幅为状态变量的尖点突变模型,来对结构的动力特性进行分析.尖点突变模型的对应性状表明,非线性弹簧使系统具有可变频特性,使得地震作用下的土-结构相互作用系统不发生线性系统中的"共振"现象;当系统频率变化使控制点(u,v)跨越尖点突变模型分叉集时,结构的振幅和振动相位会发生突变,并且结构振幅的突变值随地震频率而变,也即地震频率变化对土-结构相互作用系统动力特性的影响有"路径"效应.     

渡槽结构中桩土动力相互作用分析方法探讨

重点研究了渡槽结构桩土动力相互作用的数值分析方法,建立了能反映桩体与土体相对运动和其实际几何尺寸的非线性桩土动力相互作用的分析模型。以南水北调中线穿黄渡槽结构桩土动力相互作用问题为研究对象。分别采用传统的M法和非线性有限元法进行了数值模拟计算。结果表明,在地震作用下,所建的非线性模型与M法相比,无论墩顶位移还是桩体的应力,M法的结果偏大1~2倍,采用M法的计算结果是偏于安全的。     

基于微分求积法分析粘弹性桩基的混沌效应

为了更好地研究预制基础桩的非线性动力特征及其它特性,考虑桩-土之间的摩擦影响,利用kelvin模型,建立在轴向荷载下粘弹性桩基的非线性振动动力学模型,通过力学模型分析得到结构的动力偏微分方程;运用微分求积法(DQM)将偏微分方程在空间域进行网格划分并离散化,进而导出粘弹性桩基的常微分动力方程;最后用matlab数值模拟得到不同桩基弹性模量下的相平面图、功率谱图、庞加莱截面图和时程曲线图.结果表明:在轴向荷载作用下粘弹性桩基会发生混沌运动,且桩基弹性模量越大桩基越容易发生混沌运动,同时更加直观形象地验证了混沌效应的基本特征.     

考虑桩-土-结构相互作用的脱硫塔动力特性分析

大型薄壁钢筒脱硫塔的结构形式复杂,基础采用桩基.研究该脱硫塔的动力特性,对该塔结构设计有重要意义.本文根据有限元理论,对脱硫塔结构进行有限元建模,建立了两种模型:不考虑桩-土-结构共同作用和考虑桩一土一结构共同作用,并分别对两种模型的动力特性进行了分析.计算分析表明,桩土对结构的动力特性是有一定影响的,并为其工程设计提供了更有实用价值的参考.     

桩底沉渣性质对成层粘弹性土中大直径灌注桩动力响应的影响

为了研究桩底沉渣性质对成层粘弹性土中大直径灌注桩动力响应的影响。首先，将桩底沉渣看作虚土桩，并引入Rayleigh-Love杆模型建立桩及虚土桩纵向振动控制方程，以近似考虑大直径灌注桩的三维效应；然后，基于三维轴对称模型建立桩周土纵向振动控制方程；求解桩-土体系振动控制方程，并结合Laplace变换、阻抗函数递推、Fourier逆变换等方法，得到桩顶频域及时域响应理论解；基于所建立的理论解答，揭示大直径灌注桩三维波动效应的规律，并分析桩底沉渣性质对其动力响应的影响；最后，通过与实测结果的对比验证该解的可靠性。     

考虑时效和土拱效应桩 锚基坑土压力计算方法

根据横向受荷桩的p-y曲线方程,引入时间效应因子,考虑到土拱效应对桩-锚支护结构土压力的影响,提出了一种新的土压力计算方法.该方法既考虑了支护结构位移非线性的影响,又包含了时间效应和土拱效应对土压力的贡献.算例表明,该方法与实测结果比较相符.对墙土摩擦角部分发挥和全部发挥对土压力的影响进行了探讨.结果表明,墙土摩擦角的发挥程度对锚杆处的土压力有一定的影响.为安全起见,建议在涉及土拱效应的工程计算中,按墙土摩擦角充分发挥进行计算.     

地震作用下可液化土的数值模拟与试验验证

将有限差分法程序用于可液化土的地震响应分析,采用动力和流体的流固耦合理论分析了振动过程中土体孔隙水压力的产生、扩散与消散,并对液化场地桩-土-结构相互作用体系振动台试验进行了三维数值模拟;通过与振动台试验数据的对比分析,验证了计算模型的可靠性和合理性。结果表明：采用的方法能较好地模拟可液化土的动力特性,所得结论为液化场地土-结构相互作用体系动力分析提供了参考。     

桩基水平振动动力特性研究

本文通过建立桩尖上地基阻抗计算模型，利用传递矩阵法分析成层地基中桩基水平振动的阻抗函数，并与足尺原型桩的野外试验结果进行了比较．文中同时分析了桩、土有关参数及激振频率对桩基水平振动阻抗函数的影响，得到了一些有规律性的结论．     

考虑桩体剪切变形的分数导数黏弹性土层中单桩水平振动

建立了分数导数黏弹性（FDV）土层的水平振动控制方程,在Novak平面应变假定的基础上,求得FDV土体的水平动力等效刚度和阻尼.利用等效Winkler动力弹簧-阻尼器模型描述桩基和土体之间的动力相互作用,将桩体简化为Timoshenko梁模型,在同时考虑桩体弯曲和剪切变形的情况下建立了单桩水平振动的控制方程,求得了考虑桩体剪切变形的FDV土层中单桩的水平动力阻抗,讨论了分数导数的阶数、土体本构模型参数和桩体剪力形状系数对桩顶水平动力阻抗的影响.研究表明：对FDV土层中单桩的水平动力阻抗,采用Euler梁模型和Timoshenko梁模型得到的结果存在较大差异;分数导数的阶数主要对桩顶水平动力阻抗随频率变化曲线的峰值有的影响;FDV土体本构模型参数Tσ/Tε越小,桩顶的水平动力阻抗越大.桩体剪力变形系数对桩顶水平动力阻抗有较大影响.     

双向非均质黏性阻尼土中管桩纵向振动特性

管桩施工会使土体产生扰动,从而引起桩周土体沿桩基径向的不均匀性,为同时考虑桩周土体此种径向非均质效应和纵向成层特性对管桩纵向振动动力阻抗的影响规律,提出基于土体黏性阻尼的多圈层平面应变模型,建立双向非均质土中管桩纵向振动简化分析模型,利用拉普拉斯变换和阻抗函数的传递性,推导得出管桩桩顶动力阻抗解析解答,计算结果表明,纵向软硬夹层对一定低频区间内动力阻抗曲线振幅水平影响显著,夹层越软（硬）,共振频率处对应的动力阻抗曲线振幅水平越高（低）.施工扰动引起桩周土径向非均匀性对管桩桩顶复刚度曲线影响显著,在对管桩进行纵向振动特性分析时宜采用双向非均质黏性阻尼土-管桩相互作用模型推导所得解析解答更为合理.     

Vertical dynamic response characteristics of single pile in non-homogeneous soil layers

A computational method and a mechanical model for evaluating the vertical dynamic harmonic response characteristics of a single pile embedded in non-homogeneous soil layers and subjected to harmonic loadings were established based on a certain assumption and the improved dynamic model of beam-on-Winkler foundation by using the principle of soil dynamics and structure dynamics. Both non-homogeneity of soil strata and softening effect of soil layer around the pile during vibration were simultaneously taken into account in the proposed computational model. It is shown through the comparative study on a numerical example that the numerical results of dynamic response of the single pile computed by the proposed method are relatively rational and can well agree with the numerical results computed from the well-known software of finite element method. Finally the parametric studies were conducted for a varied range of main parameters to discuss the effects of relevant factors on dynamic responses of the single pile embedded in non-homogeneous layered soils excited by harmonic loading with different frequencies.     

径向非均质黏性阻尼土中管桩纵向振动特性

为分析施工扰动对管桩纵向振动特性的影响,发展建立了基于复刚度传递径向多圈层平面应变模型黏性阻尼土中管桩-土体纵向耦合振动模型.利用拉普拉斯变换和径向复刚度传递,得到桩芯土与桩身界面处的复刚度,并利用桩土界面上位移连续、力平衡条件推导得出桩顶动力阻抗的解析解,通过进一步参数化分析分别探讨桩长径比、桩内外径比、桩身弹性模量、土体黏性阻尼系数、桩周土施工扰动程度和扰动范围对桩顶纵向振动特性的影响规律.结果表明:管桩桩长增加使得桩顶动力阻抗曲线振幅和共振频率降低;桩芯土体对桩体可以起到减震作用;桩顶动刚度和动阻尼曲线振幅随施工引起桩周土软(硬)化程度增加而减小(增大);管桩桩顶动力阻抗振幅水平随施工扰动引起桩周土体软(硬)范围增加而增大(减小),此种影响仅在近桩小范围内较为明显,超出该范围即大幅衰减至稳定;当施工扰动较明显时,在管桩纵向振动特性分析中宜考虑此种桩周土体径向非均质性的影响.     

嵌岩桩沉渣特性对桩顶动力响应的影响

基于虚土桩模型,运用Laplace积分变换和阻抗函数递推方法研究了纵向任意激振力作用下沉渣特性对成层土中嵌岩桩桩顶动力响应的影响.将桩端沉渣模拟为虚土桩,对桩侧土采用平面应变模型,并考虑其成层特性,结合初始条件和桩顶及沉渣底部的边界条件,求得在桩顶任意激振力作用下,考虑沉渣影响的桩顶频域响应解析解及时域响应半解析解.基于理论解,分析了沉渣特性对桩顶动力响应的影响,并将理论计算结果与工程桩低应变反射波法实测曲线进行了拟合对比,结果表明,基于虚土桩模型的理论解能较好地反演出沉渣特性对桩顶动力响应的影响.     

考虑桩-土相互作用的粘弹性土中管桩的纵向动力阻抗分析

在考虑三维波动的条件下,利用分离变量法求解了管桩桩周和桩芯粘弹性土层的竖向振动,对粘弹性土层中弹性端承摩擦管桩与土层的耦合振动问题进行了研究,得到了粘弹性土层中管桩的复刚度和桩顶导纳.讨论了桩周土和桩芯土剪切模量比、粘滞阻尼系数比和管桩内外半径比对管桩竖向动力阻抗的影响.     

Vertical vibration of a floating pile in a saturated viscoelastic soil layer overlaying bedrock

An axisymmetrical analytical solution is developed to investigate the vertical time-harmonic vibration of a floating pile in a saturated viscoelastic soil layer overlaying bedrock. The soil is described by porous medium model established by Boer, while the pile is described by a beam vibration theory. By using separation theory of differential operator and variables to solve the dynamic governing equations for the soil, the fundamental solutions for the soil reactions on side and bottom of the pile are obtained. The dynamic impedance of the pile head is then derived by solving the vibration equation for the pile according to the compatibility condition between the pile and the soil. The proposed model is validated by comparing special cases of our model with the existing results. Numerical examples are presented to analyze the vibration characteristics of the pile.     

简谐SH波作用下管桩的振动特性

在一维波动模型的基础上得到了简谐SH波作用下桩周土和桩芯土的位移。在三维轴对称的情况下,运用势函数和分离变量法求解了简谐水平集中荷载和SH波引起的管桩桩周土和桩芯土的振动问题,得到了桩周土和桩芯土的径向位移和环向位移。考虑管桩土动力相互作用和管桩土的连续性边界条件对简谐水平集中荷载和SH波作用下管桩的振动进行了研究,得到了管桩桩顶的动力放大因子。通过数值算例分析可知,简谐SH波作用下管桩存在共振现象;管桩管壁过薄宜导致桩基失稳;相同外径情况下采用管桩要比实芯桩的抗震性能更好。