大比例模型结构-桩-土动力相互作用试验研究与理论分析

介绍了一个土-桩-框架结构1/2比例模型动力相互作用野外试验研究,通过对模型进行地脉动测试得到了其基频,并分别在忽略重力、欠人工质量、人工质量三种工况下进行了模型的顶部牵引激励试验和顶部机械激励试验,且在时域和频域内分析了试验结果,得到了一些有益结果。此外,研究了考虑土体动力非线性特征的粘弹性人工边界,提出了考虑桩土动力相互作用中桩土分离、滑移以及基础提离效应的接触模型,并引入阻尼项表征桩土动力作用中的能量损耗。建立了试验模型结构的三维有限元分析模型,通过对模型试验的模拟计算验证了有限元模型的可靠性,进而进行了不同地震动输入下的地震反应分析,总结了一些规律性结果。     

考虑提离-滑移效应的核电结构-界面-地基相互作用模型研究

强震作用下,核岛公共筏基可能发生的提离-滑移对结构受力影响明显,精细模拟建基面的接触状态并将结构-界面-地基作为整体分析,有助于明确提离-滑移效应对结构地震反应的影响机理。采用罚函数法接触模型模拟筏基-地基间的接触力学行为,等价线性法描述地基土的动力非线性,黏弹性人工边界模拟半无限地基的辐射阻尼条件,建立考虑提离-滑移效应的结构-界面-地基相互作用模型。进而,以AP1000核岛厂房为例,考虑静-动力综合作用,对比筏基-地基绑定简化模型,结构加速度响应峰值及楼层谱的峰值和形状均发生了明显变化,表明强震作用下筏基提离-滑移对抗震安全性造成不利影响,在核电结构抗震设防时应加以考虑。     

地震激励下桩-土非线性耦合作用对桩基动力响应特性的影响

为探讨桩-土非线性耦合作用对桩基动力响应特性的影响,以桩-土-结构耦合系统为研究对象,建立三维非线性有限元模型。采用Drucker-Prager非线性土体本构模型,利用罚函数法实现桩-土-结构界面间的非线性耦合作用,引入无反射边界条件,并考虑重力因素,得到了水平和竖直方向组合地震激励下桩-土非线性相互作用对桩基地震响应的影响。结果表明,考虑桩-土接触非线性,桩基的加速度响应峰值减小,桩土之间出现明显的分离现象,桩基剪力和弯矩峰值有所增加。通过对桩基轴力的校核,桩基不承受拉力,不会发生拔桩现象。     

基础提离对核电站结构地震响应的影响分析

当地震足够大时结构基础将会与下卧地基土发生分离,即所谓的基础提离现象。但该现象在常规的土-结构相互用(SSI)的地震响应分析中常常被忽视。核电站结构(NPP)由于特殊性,其设计地震强度一般较大,因而有可能发生基础提离现象。本文基于某简化核电站结构,利用大型通用软件ANSYS的接触面功能和弹簧单元,分别进行了四种工况的计算：（1）基础固定;（2）考虑基础提离,不考虑土-结构动力相互作用效应;（3）不考虑基础提离,但考虑土-结构动力相互作用效应;（4）同时考虑基础分离和土-结构动力相互作用效应。通过对比分析,确定合适的土-结构动力相互作用计算方法以及基础提离对核电站结构地震响应的影响。计算分析表明：（1）土-结构相互作用对核电站结构地震响应的影响不容忽视;（2）基础提离主要影响核电站结构竖向地震响应,而对结构水平向地震响应的影响较小。本文研究成果可为核电站结构的抗震分析提供参考。     

成层液化场地条件下单桩振动分析

将层状土中桩基振动相关理论扩展应用到考虑土层液化的桩基振动的研究,借助于Winkler弹簧-阻尼器模型描述液化土和非液化土与桩基之间的动力相互作用,利用初参法和传递矩阵法得到了地震激励作用下考虑土层液化的桩基桩顶位移放大因子。结果表明,液化后的土层软化系数、土层厚度、桩身抗弯刚度和桩身线质量密度等对考虑液化的桩基振动特性有较大的影响。     

群桩基础三维非线性地震反应分析

针对在强震作用下的桩基础非线性地震反应问题，本文采用Dmcker-Prager理想弹塑性模型模拟地基土的非线性，同时在桩-土接触面上设置接触单元模拟桩-土间的接触非线性，建立了桩--土-桩相互作用及土-桩-结构相互作用体系的三维有限元分析模型，探讨了桩-土间的非线性效应对群桩基础的运动相互作用及惯性相互作用问题的影响，分析了群桩的内力分布，得到了一些有应用价值的结果。     

考虑桩径效应的桥梁结构地震风险分析

桩-土-结构相互作用是桥梁结构地震反应分析的重要问题,其中桩径效应不应忽略。以一座三跨连续梁桥为例,研究桩径效应对桥梁地震风险的影响。具体建立三种有限元模型:模型一是同时考虑桩-土-结构相互作用和桩径效应;模型二是考虑桩-土-结构相互作用,但没有考虑桩径效应;模型三是墩底固结的简化模型。通过增量动力分析方法计算桥梁结构的地震易损性曲线和地震风险曲线,对三种模型的计算结果进行对比分析。结果表明,同时考虑桩-土-结构相互作用和桩径效应的模型对应地震易损性与地震风险最高;墩底固结的模型对应地震易损性和地震风险最低。     

基于T-P模型的桩-桩水平振动相互作用研究

为精确揭示桩-土动力相互作用,弥补动力Winkler地基-Bernoulli-Euler梁模型(E-W模型)在桩-桩水平振动分析中的不足。考虑土体剪切效应和桩身剪切变形,建立Pasternak-Timoshenko模型(T-P模型)模拟桩-土动力相互作用,推导水平动力和竖向荷载共同作用下的主动桩水平振动解析解。在此基础上,根据桩-桩动力相互作用原理,建立被动桩水平振动控制方程,运用传递矩阵法考虑土体分层特性,利用初参数法计算桩-桩动力相互作用因子;与已有文献进行对比,验证计算结果的正确性。通过参数分析表明：土体剪切效应对水平动力相互作用因子有增强效果;在给定桩土参数的情况下,主动桩和被动桩存在“有效桩长”(Ld=10d～15d);当桩身长径比在L/d=5～10范围内时,不宜忽略桩身剪切变形对动力相互作用因子的影响;竖向荷载对水平-摇摆耦合作用因子的影响最为显著。     

单桩竖向动力阻抗计算方法及其影响因素分析

运用土动力学和结构动力学原理，改进Winkler地基梁模型，考虑桩周土的弱化效应和桩-土界面的相对滑移效应，建立了竖向荷载作用下单桩动力阻抗函数的计算力学模型，运用数理方程方法分别求解单桩与桩周近场土域及远场土域的振动方程，确定了单桩的竖向动力阻抗函数。针对数值算例进行计算，将得到的单桩竖向动力阻抗随激振频率的变化关系与现有的数值计算和分析结果进行对比，验证了建议计算方法的合理性；并通过变动参数计算，对影响桩基振动特性的各相关因素进行了比较分析。     

砂土液化场地桩基地震反应分析

用整体动力有限元方法进行砂土液化场地桩-土-结构动力相互作用及桩基地震反应分析。在土体侧向的边界节点处用弹簧并联阻尼器来进行模拟；在土体平面应变单元和桩体梁单元连接处，用补充约束方程的方法进行节点耦合，使两种不同类型单元满足连续条件。结合典型工程实例选择桩-土-结构及荷载参数，重点讨论了三种不同情形下砂土液化场地土-结构相互作用对桩基地震反应的影响，分析和比较了三种情形下体系1至6阶的自振周期、基桩危险截面处的位移与内力时程和最不利时刻桩身的位移与内力等，得到了一些对工程实际有益的结论。     

地震作用下板式橡胶支座滑动引起的城市立交中的动力耦合作用

地震作用下具有不同动力响应特征的桥梁不同部位之间存在显著的相互作用。在城市立交设计中板式橡胶支座常直接放置于墩顶,水平力传递靠接触面摩擦作用。橡胶支座与墩顶、梁底接触面地震作用下可能会发生滑动。以城市立交工程中一多跨简支梁桥为例,按照实际结构构造充分考虑材料非线性及连接构件的非线性等因素,分别以弹塑性纤维模梁柱单元、空间滑动支座单元和接触单元模拟桥墩屈服、支座的滑动、相邻结构之间的碰撞,通过非线性时程分析综合分析了由于支座滑动导致大的支座位移,并由此引起的相邻构件之间的碰撞以及由于碰撞导致的桥墩屈服等动力响应之间的耦合作用。     

分数导数粘弹性土层模型中桩基竖向振动特性研究

粘弹土体的应力-应变关系利用分数导数粘弹性模型进行描述,建立了分数导数粘弹性土层的竖向振动控制方程。在考虑三维波动的条件下,利用势函数和分离变量的方法求解了分数导数粘弹性土层的竖向振动。考虑桩土边界条件和接触条件对分数导数粘弹性土中桩基的竖向振动进行了研究,分析了主要桩土力学参数对桩顶复刚度和导纳的影响规律。研究表明：...     

黏弹性地基中基于虚土桩模型的桩顶纵向振动阻抗研究

基于虚土桩模型,对均质粘弹性地基中桩土纵向耦合振动问题进行了研究。首先,假定桩侧土为各向同性的线性粘弹性材料,并考虑土体的竖向波动效应,结合Euler-Bernoulli杆件理论,建立了桩土纵向耦合振动的定解问题;其次,采用分离变量法求解桩侧土纵向振动的控制方程,得到了桩侧土与桩身接触面上的剪切动刚度,将所得的剪切动刚度代入到桩身振动控制方程,采用Laplace变换技术,进一步求得了任意荷载作用下桩顶纵向振动阻抗的解析解。基于所得解,详细讨论了不同桩身设计参数时桩端土厚度对桩顶纵向振动阻抗的影响。最后,将虚土桩模型与其他桩端土支承模型进行了对比研究,结果表明,对虚土桩模型选用合适的材料参数和桩端土厚度,其得到的桩端支承复刚度值介于现有多种模型的计算值之间。     

基于黏塑性理论的碾压混凝土动态剪切本构模型

由于碾压混凝土大坝是逐层碾压而成,坝体层面处的静动抗剪强度均低于其本体强度,在地震、振动或冲击作用下,坝体层面(包括坝基界面)有可能发生沿层面的动态滑移失稳破坏。基于Perzyna黏塑性连续理论,提出了一个用于描述碾压混凝土层面动态剪切断裂行为的本构模型。该模型的特点有：混凝土材料的软化塑性和扩容特性直接与界面处断裂失效过程相联系;使用Carol率相关界面方程作为屈服判据来描述碾压混凝土材料的率相关性;使用经典塑性断裂理论来描述剪切面上的断裂失效和摩擦滑动过程,并且只需要较少的模型参数。利用该模型与含层面碾压混凝土的动态强度试验结果进行了对比分析,包括在不同的应力路径如单轴拉、压和压剪状态下和不同加载速率下的试验结果。结果表明模型与试验得出的结论吻合较好,这种弹-黏塑性动态剪切本构模型对预测包含薄弱层面的碾压混凝土动力破坏性能是有效的,这为相关工程问题的研究提供有益的思路和有效的工具。     

考虑桩土耦合作用时桩基扭转振动特性研究

假设桩周土层为均质线性粘弹性体,土材料阻尼为粘性阻尼,桩为竖直弹性均匀圆形截面桩,从三维轴对称角度,对考虑桩土耦合作用时桩基扭转振动桩顶频域振动特性进行了理论研究。利用拉普拉斯变换,首先通过对土层进行求解得到其振动扭转角位移形式解,然后利用该解并以小应变条件下桩土接触界面位移连续来考虑桩土的耦合作用,来分析基桩的动力反应,研究得到了考虑桩土耦合作用时桩顶扭转频域响应函数的解析解。基于所得解对桩土系统的扭转振动特性进行了对比和分析,并重点探讨了桩侧土粘性阻尼对桩顶响应的特殊影响,校验了基于平面应变假定桩基扭转振动理论解的精确性。     

Simplified BEM/FEM model for dynamic analysis of structures on piles and pile groups in viscoelastic and poroelastic soils

A simplified model for the analysis of the dynamic response of structures on piles and pile groups under time harmonic excitation is presented in this paper. It is a coupled boundary element–finite element model able to take into account dynamic pile–soil–pile interaction in a rigorous manner. Piles and pile groups in viscoelastic or poroelastic soils are considered. Two-node cylindrical boundary elements are used to represent the interface between soil and pile. These elements are connected to beam-type finite elements representing the concrete pile which can be connected to a pile cap and to any superstructure modeled by beam elements. The model is rather simple: two-node beam elements along the pile are directly connected to the BE nodes along the soil hole, and the uppermost node to the soil surface and to the FE nodes of any superstructure. Thus, large structures founded on piles in viscoelastic or poroelastic soils can be represented using a reasonable number of unknowns. In order to validate the procedure, single piles and pile groups in viscoelastic and poroelastic soils are analyzed. The obtained results are compared with those obtained by other authors using more complex or less general approaches. There is a good agreement between the present results and those reported in the literature.