随机地震激励下群桩-土-桥墩相互作用分析

考虑地震动的随机性,利用复反应分析技术,采用随机地震反应计算方法对某一特大型桥梁群桩基础与土动力相互作用效应进行了数值试验研究。将土与群桩体系视为一个整体进行有限元离散,采用等效线性化方法考虑土体的动力非线性性能。将桥墩-群桩-土相互作用体系与自由场随机地震反应进行比较,结果表明:相互作用效应的影响与桩土模量差异以及土体与群桩基础距离有关。软土层剪应变水平及分布发生了显著变化,群桩基础两侧附近土域剪应变呈现明显的弧形分布;地表及浅层土体最大地震加速度反应有所减小,但覆盖层中下部土体加速度反应峰值明显增大,增幅达5%~30%左右;此外,地震地面运动的频谱成分存在显著差别。桥梁桩基础抗震设计中应充分考虑桥梁结构-群桩-土相互作用效应。     

桩-土-桥相互作用对隔震连续梁桥地震响应的影响

随着隔震技术在桥梁结构中的广泛应用,建立合理的桥梁模型进行隔震分析十分重要。以某连续钢箱梁桥为对象,建立了墩底固结不考虑桩土、M法桩和非线性有限元桩的三种桥梁模型,通过对这三种桥梁模型进行隔震前后的地震响应分析,以研究桩-土-结构相互作用对不隔震和隔震桥梁的影响。研究表明:考虑桩-土相互作用对该桥梁隔震前、后的地震响应都具有较大的放大效应,非线性有限元桩桥梁模型的放大效应大于M法桩的桥梁模型;三种模型的隔震率相差不大,不考虑桩-土-桥梁结构相互作用不会对隔震率产生过大估计。     

桩-土作用机理与数值模拟

桩-土间相互作用机理的研究是保证桩基础在建筑荷载作用下安全稳定的关键。在分析桩-土间相互作用的基础上,利用有限元分析软件ANSYS中的Structural模块先进的非线性功能,进行桩的有限元分析,对桩-土间相互作用方式进行了数值模拟研究。建立了完整的桩模型,并建立弹簧单元以及表面效应单元以模拟土层对桩的作用力,得到了在建筑荷载和土层作用力下桩的位移量及其轴向应力分布,为建筑基础设计提供理论依据。     

分层土-桩-结构动力相互作用数值模拟试验分析

采用有限元法分析桩-土-结构动力相互作用是当前工程与学术界解决此类问题的惯用方法。应用数值试验对桩一土一结构弹塑性动力相互作用中相关的问题进行了研究,采用整体有限元方法分析桩-土-结构动力相互作用,上部结构以框架结构为研究对象,上部结构、承台以及桩均采用二维梁单元进行模拟;土体采用二维平面应变单元进行模拟。讨论了土体分层对桩-土-结构动力相互作用体系的影响,得到一些对工程实际有益的结论。     

高层钢框架考虑节点剪切变形及二阶效应的桩-土-结构动力相互作用

在桩 土 上部结构动力相互作用中 ,二阶效应及节点板域的剪切变形对于高层钢框架结构的地震反应内力、位移等均有不可忽视的影响。研制开发的桩 土 平面杆系结构动力相互作用分析程序DIPSFSA不仅可直接求解考虑共同工作后钢框架结构各杆件的内力和位移 ,而且还可以考虑节点剪切变形及轴力引起的二阶效应 ,更准确地模拟结构的实际受力与变形特征 ,便于Ⅲ ,Ⅳ类场地土上钢框架的实际设计与应用     

桩-土-结构动力相互作用体系振动台模型试验研究

基于桩-土-结构动力相互作用体系振动台模型试验的数据,研究了动力相互作用体系对上部结构的影响.研究结果表明:由于动力相互作用体系的影响,上部结构频率减小,阻尼增大;在输入地震波加速度峰值较小时,桩-土体系对地震波起放大作用,输入地震波加速度峰值较大时,桩-土体系起减震作用;在地震波由振动台台面传到土体表面的过程中,桩-土体系改变了地震波的频谱成份.     

桩-土-结构相互作用对超大跨度斜拉桥随机地震动响应影响研究(Ⅰ)

基于随机振动理论为基础,以苏通长江公路大桥为背景,对超大跨度斜拉桥在随机地震荷载作用下的动力响应展开研究。从计算分析的角度,探讨了桩—土—结构动力相互作用对苏通大桥地震动力响应的变化规律。计算结果表明,建立在柔性地基上的大跨度斜拉桥,应当合理考虑基础刚度效应或桩—土—结构动力相互作用的影响,不能把基础直接考虑为固结模式。     

桩-土-结构相互作用对超大跨度斜拉桥随机地震动响应影响研究(Ⅱ)

基于随机振动理论,以苏通长江公路大桥为背景,对超大跨度斜拉桥在随机地震荷载作用下的动力响应展开研究.从计算分析的角度,探讨了桩-土-结构动力相互作用对苏通大桥地震动力响应的变化规律.计算结果表明,建立在柔性地基上的大跨度斜拉桥,应当合理考虑基础刚度效应或桩-土-结构动力相互作用的影响,不能把基础直接考虑为固结模式.     

考虑土-结构相互作用的桥梁脆弱性分析方法及其应用

将FEMA440考虑土-结构相互作用的能力谱方法与桥梁脆弱性分析相结合,提出能够综合考虑地基柔性效应、运动学效应和基础阻尼效应的桥梁脆弱性分析方法,再结合所统计的与我国桥梁抗震设计规范相容的强度折减系数谱,对某城市高架梁式桥进行脆弱性分析,建立相应的脆弱性曲线,并与非线性动力时程分析法和不考虑土-结构相互作用的脆弱性分析法所建立的脆弱性曲线进行比较。计算结果表明:所建立的考虑土-结构相互作用的脆弱性曲线与非线性动力时程分析的计算结果十分接近,而不考虑土-结构相互作用的脆弱性曲线则与实际情况有较大差距。可见,该方法可以较为准确地对考虑土-结构相互作用的桥梁结构进行脆弱性分析,这也验证了该法应用于我国桥梁结构抗震性能评估的可行性。     

考虑土体非线性的核岛结构桩基础三维地震反应特性

以某沿海拟建的AP1000核岛结构为背景，用3D集中质量-梁杆模型模拟核岛结构，考虑土体的非线性滞回特性，建立非均匀地基-群桩-厚筏-核岛结构体系的3D有限元模型，选用近场中强震、中-远场强震和远场大地震的三分量记录作为基岩输入地震动，分析群桩基础的地震反应特性。非线性场地效应和土-桩-结构动力相互作用效应的耦合作用会显著增大核岛结构的基础输入运动，不论基准运行地震或安全停堆地震，基础输入运动的水平向和竖向上包络加速度反应谱(5%阻尼比)的谱值显著大于对应的AP1000标准设计反应谱谱值；桩顶累积绝对速度和地震峰值内力的大小受基岩输入地震动特性的影响显著，与场地反应的非线性程度正相关，其复杂的空间分布特征也受土-桩-结构动力相互作用效应和桩的几何布置的综合影响，桩-筏交界处的桩身地震内力反应最大，中-远场和远场强震作用对核岛桩基础的潜在破坏风险可能远大于近场中强地震作用。     

饱和土中单桩在瑞利波作用下的动力响应

研究了频域内半空间饱和土中单桩在瑞利波作用下的动力响应。首先利用Muki的虚拟桩方法,将桩土共同作用问题分解为拓展的半空间饱和土和虚拟桩的叠加。拓展的半空间饱和土用Biot理论求解,而虚拟桩则用杆和梁的振动理论求解。利用半空间饱和土的基本解和自由波场解及桩、土间变形协调条件,建立了桩土共同作用的第二类Fredholm积分方程。对积分方程的数值求解可得桩在瑞利波作用下的动力响应。数值结果显示了饱和土的渗透系数、桩土相对刚度及入射波的频率对桩的动力响应有显著影响。     

可液化土中单桩地震响应的离心机试验研究

通过离心机动力模型试验,观测了饱和砂土层中单桩-上部结构在强震中的反应,并通过数值方法导出了桩土水平相对位移和侧向土阻力的演变。研究结果表明:强震下饱和砂土中孔压增长较快,孔压的增长减弱了土阻力及桩身内力,同时使桩基础的竖向承载力降低;砂土接近液化时,桩基础失去大部分承载力,上部结构沉降严重。本研究加深了对砂土液化过程中的桩–土动力相互作用机理的理解,有助于建立液化土中桩基抗震设计方法。     

土-群桩-结构系统动力特性及相互作用地震反应分析

本文根据连续介质力学理论,考虑平面应变假设,按桩-土-桩动力相互作用概念,研究了群桩中每两根桩的关系,并利用等效单桩的原理,将群桩动力问题转化为等效单桩动力问题,使分析得到简化。分析中采用了传递矩阵的方法,可方便而有效地考虑土的分层。在水平摇摆振动的分析中,还考虑了桩的竖向运动对摇摆刚度的贡献。 根据本文的理论和方法,用自编专用程序SPGSIA分析了土-群桩系统的动力特性;并用动力子结构及快速富里叶变换技术分析了土-群柱-结构系统的相互作用地震反应。通过本文的研究,得到了一些规律性的结果。     

Pile under torque in nonlinear soils and soil-pile interfaces

This paper presents a new method for analyzing the nonlinear response of a single, vertical pile with the circular cross-section under torque in layered soils. The nonlinear stress-strain relationships of both soil-pile interface and soil are approximated by the hyperbolic model, whereas the pile material is elastic. The torsional spring stiffness of the soil-pile interface and the soil are determined by traditionally available methods. A four-node finite element model for the soil-pile interface is proposed to represent nonlinear behaviors of the soil-pile interface and the soil, separately. A new iterative scheme for nonlinear analysis of a single pile under torque is also developed that avoids having to solve a large number of simultaneous equations found in traditional solution schemes. The new solution method is based on the tangential stiffness of the soil-pile interface and soil springs, which are determined at each load step. From this solution scheme, an equivalent stiffness of the soil-pile-interface system of each pile element is calculated from the bottom element to the top element while torque and angle of twist are calculated from the top to the bottom elements. The solution gives the distribution of the angle of twist and torque along the pile, and the equivalent stiffness of the soil-pile system and torque-angle of twist curves at any depth. The solution method can be easily applied to the practice field in nonlinear analysis and in designing a single pile under torque in layered soils. The analysis results using the new solution scheme compared well with the results from other analytical methods studied by previous researchers. The proposed method is also used to predict the behavior of two full-scale piles under torques. The predictions are in good to excellent agreement with measurements.     

Frequency- and intensity-dependent impedance functions of laterally loaded single piles in cohesionless soil

This paper investigates the frequency-dependent pile-head impedance characteristics of a model soil-pile foundation system under large amplitude loads, inducing soil yielding. Testing was conducted on a scaled single pile embedded in sand under a 1g condition. A laminar shear box mounted on a unidirectional shaking table was used to house the soil-pile foundation system. Quasi-static loads and dynamic loads were applied to obtain the force–displacement relationships and pile-head impedance functions, respectively, through the pile head connected to a loading actuator providing fixity to the pile head in all directions, except horizontal. In the quasi-static case, loads with three different velocities were applied to study the rate-dependent characteristics of the lateral bearing capacity of the pile. The Stereo-PIV system was employed to measure the surface soil displacement around the pile. The lateral bearing capacity changed with the loading velocity, but the soil near the pile showed a consistent failure pattern despite a significant change in velocity. Lateral pile-head dynamic impedance functions were obtained for low-to-high amplitude harmonic loading for a wide range of frequencies. The dynamic stiffness was seen to converge to that of the secant static stiffness with an increase in the amplitude of the dynamic loading for all the excitation frequencies.     

桩靴贯入黏土层时邻近桩挤土压力分析

采用CEL方法对桩靴贯入黏土层时邻近桩受到的挤土压力的变化进行了数值仿真分析。首先通过对离心模型试验结果的计算,验证了CEL方法的可行性。进一步,分析了桩靴贯入黏土层时,邻近桩桩身挤土压力的变化。结果表明,邻近桩靠近桩靴一面受到的挤土压力随桩土相对位移的增加而不断增大直到极限值,在泥面以下6倍邻近桩桩径范围内,桩身最大挤土压力随土层深度逐渐增加,其变化范围为3.5s_u~9.0s_u,当土层深度超过6倍邻近桩桩径后,桩身最大挤土压力趋于稳定,约9.0s_u;而远离桩靴一面受到的挤土压力随相对位移增加而不断减小,最终保持在1.5s_u~2.0s_u;桩身受到的挤土压力合力随桩土相对位移增加而不断增大直到极限,在泥面以下6倍邻近桩桩径范围内,桩身极限挤土压力合力随土层深度逐渐增加,其变化范围为2.0s_u~7.5s_u,当土层深度超过6倍邻近桩桩径后,桩身极限挤土压力合力趋于稳定,约7.5s_u。此外,净间距和黏土强度的改变,不会影响插桩挤土压力随相对位移的变化关系;当黏土弹性模量从100s_u增加到300s_u时,达到极限挤土压力所需的相对位移从0.3倍邻近桩桩净减小到0.1倍邻近桩桩净。     

桩土耦合扭转振动理论研究与特性分析

从三维轴对称角度出发,对弹性支承桩与均质土耦合作用时的扭转振动特性进行了研究分析。假定桩为竖直弹性均匀截面桩,土为线性黏弹性体,其材料阻尼为滞回阻尼,首先通过对土层进行求解得到其振动扭转角的形式解,然后利用该解并以小应变条件下桩土接触界面位移连续和力连续来考虑桩土的耦合作用,来分析基桩的动力反应,研究得到了弹性支承桩在谐和激振扭矩作用下频域响应函数解析解,并利用所得解对土层动力反应特性以及桩土体系的扭转振动特性进行了深入分析,得到了一些新的结论。     

桩与滞回阻尼土相互作用时桩基扭转振动时域响应分析

考虑桩土相互作用效应,对均质滞回材料阻尼土中弹性支承桩桩顶扭转振动时域响应进行解析理论研究。首先建立桩与滞回阻尼土在谐和振动条件下的定解问题,然后先对土层动力平衡方程进行求解并得到土体振动扭转角形式解,接着依据平衡条件将该形式解耦合进桩身动力平衡方程,并通过对桩动力平衡方程的求解,最终得到桩顶扭转角和速度频率响应解析解和半正弦脉冲激励作用下桩顶速度时域响应的半解析解。通过与其他相关理论解的对比验证该解的正确性和适应性,并对桩土相互作用时桩顶扭转振动时域特性进行分析,重点探讨桩周土滞回阻尼、长径比、模量等常规参数对桩顶时域响应的影响,得到若干结论。     

指数型变截面桩中的纵波

解析地研究了指数型变截面桩中的纵波。桩顶受到纵向冲击力作用,桩身为有限长均匀弹性圆杆,其半径按指数变化,桩周土剪切波速也按指数变化,并考虑桩土相互作用。由Laplace变换和逆变换,分别得到纵向振动的桩土系统的传递函数和脉冲响应。进一步得到桩顶纵向振动速度的频响函数、频域和时域表达式。研究了渐缩自由桩和渐扩自由桩的桩顶纵向振动速度时域曲线特征;研究了渐变截面桩的桩顶纵向振动速度时域曲线、振幅谱曲线和导纳曲线特征;结果表明:桩身截面的渐缩和渐扩都产生桩身反射波,这种桩身反射波是缓变化的,其大小与桩身截面渐变的程度正相关;桩身截面的渐变主要影响频域曲线的几个低阶共振峰。由参数研究及推出的理论公式揭示,桩中纵波的衰减取决于桩周顶部土剪切波速与桩身纵波波速比、桩长与桩顶直径比、桩周土密度与桩身密度比。     

冻土–桩动力相互作用模型试验系统研制

桩基础是冻土区大型结构物的主要基础型式，但目前学者对冻土环境中桩基动力特性的研究甚少。在比较分析国内外在该领域研究现状的基础上，设计了一套冻土–桩动力相互作用模型试验系统，主要包括动力加载系统性能参数的确定与设计、模型试验箱的设计与制冷效果分析、加载工作架的设计及其与试验箱的拼接等。试验结果表明，所设计的试验系统能为试验提供所需的冻土环境，结构牢固，能较好地模拟分析冻土–桩动力性能，此外该试验系统还可应用于其他冻土问题的试验研究。