SSI效应对隔震结构的地震响应及损伤影响分析

基于弹性地基梁理论和波动理论计算群桩-土地基对上部结构的动力阻抗,进而研究桩土-结构动力相互作用对高层隔震结构地震响应及非线性损伤的影响。首先计算桩周地基水平刚度系数,采用改良的Penzien模型将群桩等效为单桩,考虑一定桩长范围计算桩头的水平刚度,同时根据结构振动频率与地基基本频率的大小关系,考虑地基材料阻尼和辐射阻尼的影响。以某高层隔震工程为例,根据实际桩布置及土层分布情况计算地基阻抗,利用等效线性化模型对结构进行反应谱分析,计算结构隔震前后SSI效应对其动力响应的影响,再利用三维非线性损伤模型分析SSI效应对结构主要构件损伤的影响。计算结果表明,随着结构层数的增加,SSI效应的影响减小,考虑SSI效应会使隔震层位移和隔震支座面压利用率提高,而对隔震层上部结构的层间位移基本没有影响;考虑SSI效应后结构连梁的损伤减小,而框架柱和剪力墙这些竖向构件损伤增加;长周期地震动作用下结构的SSI效应更显著。     

大型液化天然气(LNG)储罐地震响应分析

基于陆培炎提出的横向荷载作用下土、桩共同作用的集中力弹簧模型,将桩土共同作用简化为弹簧,考虑地震下的响应,在弹簧的基础上增加了阻尼器以模拟土的阻尼特性。通过集中质量法模拟地震作用下液化天然气对罐璧的动压力。利用ANSYS有限元分析软件,通过APDL语言建立桩-土-结构整体三维精细模型,对空罐、半罐及满罐三种工况进行了分析,并对基础刚接、基础隔震及考虑桩土作用及隔震垫三种情况进行了地震响应对比。     

考虑桩-土动力相互作用的渡槽结构水平地震响应分析

以Housner流-固耦合模型和Penzien桩-土相互作用模型为基础,建立一种同时考虑流-固耦合与桩-土相互作用的渡槽结构简化计算模型,并给出其计算参数。该计算模型分为等价体系和自由场体系,并采用自由场输入。推导同时考虑弯曲变形和剪切变形时的群桩刚度矩阵,采用分别计算各子结构阻尼的方式来考虑整个结构的阻尼,并采用等效线性化原理来考虑土体的非线性。以某渡槽为例,采用该模型对其进行分析,并与刚性基础模型对比。计算结果表明,两种情况下的自振特性和水平地震响应均有较大差别,在渡槽抗震研究与设计中不能忽略桩-土相互作用。同时采用该计算模型对拟动力试验模型进行分析,并与试验结果比较,二者基本一致,说明计算模型的有效性。     

考虑土塞效应的分数阶导数描述的黏弹性饱和土中部分外露管桩扭转振动

考虑管桩的土塞效应,利用分数阶导数黏弹性理论和多孔介质理论得到了以位移表示的分数阶黏弹性饱和土的扭转振动控制方程,建立了分数阶黏弹性饱和土-部分外露管桩扭转动力相互作用模型。考虑分数阶导数和贝塞尔函数的性质以及土体边界条件,得到了等效Winkler扭转弹簧-阻尼器模型的等效刚度和阻尼系数。考虑桩周和桩芯饱和土对管桩的作用,运用传递矩阵法求解了部分外露管桩的扭转振动,得到了管桩桩顶的扭转刚度因子和等效阻尼系数。以数值算例的形式讨论了管桩和土体力学性质参数和几何参数对管桩扭转振动的影响。结果表明：管桩的几何参数对分数阶黏弹性饱和土中部分外露管桩扭转振动的影响较力学性质参数的影响要大;考虑土塞效应研究分数阶黏弹性饱和土中部分外露管桩扭转振动时不能忽略土体黏滞性的影响,但桩芯与桩周饱和土性质的差异可以忽略;管桩的管壁厚度对扭转振动的影响较为敏感。     

成层地基–桩基–结构动力相互作用体系的计算分析

以一个1∶2大比例模型结构–地基的动力相互作用模型试验为基础,结合通用有限元程序MSC.Marc,对成层地基–桩基–结构动力相互作用体系进行了三维有限元分析。计算中采用考虑土非线性特征改进的黏弹性人工边界模拟外部土域,利用考虑动力相互作用中桩土分离、滑移以及桩基提离效应的接触模型反映桩土接触界面特性,并引入阻尼项表征桩土动力作用中的能量损耗,土体采用等效线性模型。通过计算分析与试验的比较研究,验证了计算模型和分析方法的合理性,进行了地震动输入下的地震反应分析,为地基–结构动力相互作用的进一步研究奠定了基础。     

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。     

桥梁桩基础地震作用下不同桩土模型比较研究

对实际工程中某一单墩结构分别建立考虑弹性桩土相互作用和考虑非线性桩土相互作用的模型,对这两种模型分别进行pushover分析以及非线性时程分析,探讨了两种模型的差异.分析结果表明:当桩基础在地震作用下发生轻微损伤时,采用简化弹性模型模拟地震作用下桩土相互作用要过于保守.     

分数导数黏弹性模型描述的土中部分埋入单桩的扭转振动

桩周土体的本构关系利用分数导数黏弹性模型来描述,桩土扭转动力相互作用采用等效扭转Winkler弹簧-阻尼器来模拟,利用分离变量法得到了分数导数黏弹性土层的扭转等效Winkler弹簧-阻尼器模型的刚度系数和阻尼系数。利用传递矩阵法并考虑埋入部分及外露部分的边界条件求得了分数导数黏弹性土中部分埋入单桩的桩顶复刚度。以数值算例的形式讨论了分数阶黏弹性本构模型的模型参数和桩土参数等对桩顶扭转复刚度的影响。研究表明:分数导数的阶数对桩顶复刚度随频率变化曲线的峰值附近有一定的影响,桩的埋入深度和桩土模量比对桩顶复刚度有较大的影响,且埋入深度对桩顶复刚度的影响与外露部分的长度有一定的关系,本构模型参数对桩顶复刚度的影响较为复杂,本构模型的黏性项Tε较大时可能导致等效阻尼为负值。     

考虑桩-土相互作用效应的桩基结构地震响应数值分析

考虑桩-土相互作用效应，建立了桩基结构地震响应分析的有限元计算模型，并在时域上进行了整体有限元数值计算。为便于进行对比分析，简要阐述了桩-士-结构地震响应分析的子结构方法。进而针对工程实例，分别采用整体有限元数值计算方法和子结构分析方法，对桩-土-结构体系的地震响应进行了对比计算和分析。研究表明，两种方法所得计算结果是基本一致的，从而，为桩基结构的抗震分析与工程设计提供了参考依据。     

桩土效应对钢筋混凝土双壁墩地震响应的影响

文章以某高速铁路预应力混凝土连续刚构桥施工阶段的最大悬臂状态为研究体系,运用IDA的方法,通过OpenSEES建立考虑和不考虑桩土效应的两种空间有限元模型,进行非线性时程分析。研究了桩土效应对结构自振周期的影响以及不同地震动强度作用下桩土效应对桥墩墩底曲率和墩顶位移的影响。结果表明,考虑桩土效应后结构自振周期变长,墩底最大曲率变小,墩顶最大位移一般会变大,但其值还与输入地震波的频谱特性及地震动强度有关,不排除考虑桩土效应后在某种地震波作用下当地震动强度较大时墩顶位移最大值会变小的情况。     

层状地基中群桩的水平振动特性

采用动力Winkler地基模型模拟桩土之间的动力相互作用,并运用传递矩阵法考虑地基土的分层特性,提出了计算层状地基中单桩和群桩动力阻抗函数的一种简化方法。在计算动力相互作用因子时考虑了“被动桩”与周围土体之间的相互作用。最后将相互作用因子和群桩阻抗的本文解与精确解进行了对比,同时与有关现场试验结果作了比较,验证了本文方法的有效性。     

大规模桩筏基础非线性共同作用简化分析方法

提出一种分析桩筏基础非线性共同作用的简化分析方法。将单桩的载荷试验结果应用到桩筏基础的沉降分析中,从而使得沉降预测结果更符合工程实际情况。将筏板假定为弹性薄板,筏板下的群桩假定为相互作用的非线性弹簧,使用双曲线函数拟合载荷试验的Q-S曲线,并用它来模拟桩在荷载下的非线性响应。采用相互作用系数法分析桩-桩间的相互作用,同时考虑桩的“加筋”对相互作用系数的影响。为了简化计算,采用多项式拟合桩-桩、桩-土相互作用系数。使用弹性半空间或有限层理论分析土节点间的相互作用。经过实例分析比较,该方法不但可以节省大量机时,而且可以得到较满意的预测结果。该简化方法可以用于工程实践。     

被动侧向受荷桩模型试验及颗粒流数值模拟研究

本文采用室内模型试验与颗粒流数值模拟相结合的方法对砂土中被动侧向受荷短桩桩土相互作用性状进行了较系统和深入的研究。在室内模型试验中,研究了短桩在松砂、中密砂、密砂中的挡墙荷载–位移关系,桩顶位移对挡墙位移的响应规律,及桩前、桩后土压力的分布和发展规律。通过开发颗粒流程序模拟室内模型试验在加载条件下桩土相互作用过程中的应力和位移的变化规律,与模型试验的结果进行了对比分析。本文的研究对揭示被动桩与周围土体的作用规律及更深入的了解桩土相互作用机理有参考价值。     

非饱和土半空间中单桩竖向振动特性研究

从三维轴对称的非饱和土波动方程出发,考虑土中基质吸力对剪切模量的影响,对端承桩在纵向简谐荷载作用下桩土耦合振动特性进行了研究。利用算子分解和分离变量法直接对耦合方程进行解耦,在求得非饱和土层振动模态形式和阻抗因子的基础上,结合桩土界面处的衔接条件以及桩端刚性支承形式,对桩的一维波动方程进行求解,得到了桩顶复刚度函数、土层阻抗因子的频域形式解答,并讨论了主要参数对桩基动力行为的影响。计算结果表明：随着饱和度的减小,桩顶动刚度因子和等效阻尼的振幅随之减小,但桩土体系的共振频率则基本不受其影响。在桩土模量比的分析中,应区别对待土和桩弹性模量引起的不同反应。模型揭示了土体动力响应从单相到饱和两相介质条件下的完整演化过程,为描述实际土体环境下桩基动力行为提供了较为完备的理论框架。     

饱和土剪切波速在基桩缺陷定量分析中的应用研究

在基桩缺陷定量分析中准确定量地描述桩土之间的相互作用是非常重要的。以黏滞阻尼器模拟桩土之间的相互作用,对6种饱和土进行了桩土相互作用模型试验和剪切波速试验。试验结果表明,可以对这些饱和土在土剪切波速与阻尼系数之间建立一致的相关关系。同样依据试验结果分析了试验阻尼系数和理论值的差别,得到了以剪切波速的函数表示的理论值修正系数。由桩身纵向振动响应解析解利用正交试验方法分析了阻尼系数、瞬态冲击力的脉冲宽度和幅值、桩弹性模量、桩密度、桩长以及桩截面积对速度波衰减过程的影响,确定了阻尼系数是影响速度波衰减的唯一显著因素,得到了速度波沿桩身的衰减规律。进而结合土剪切波速与阻尼系数之间的相关关系和桩身缺陷处的能量分配特性建立了利用土剪切波速和桩顶速度响应进行基桩缺陷定量分析的关系式。根据建立的关系式分析了利用剪切波速确定阻尼系数所带来的误差,结果证明由剪切波速最终得到的缺陷程度相对利用试验阻尼系数得到的结果误差一般在10%以内,所以利用剪切波速确定阻尼系数是可行的。     

CFG桩竖向荷载作用下水平位移和弯矩的试验研究

通过室内模型桩试验 ,分析了竖向荷载对CFG桩的水平位移、桩身弯矩的影响。接着 ,运用三维有限元的方法 ,考虑了土体的弹塑性 (Prandtl-Reuss模型 ) ,以及在桩土界面处设置接触单元来考虑桩土的滑移和开裂 ,对模型桩进行了模拟分析。然后 ,通过现场原形实验 ,对分析结果进行验证。结果显示轴向荷载的存在对CFG桩产生附加弯矩和水平位移 ,但在试验荷载范围内影响很小。最后得出有一定参考价值的结论     

Reliability analysis of laterally loaded piles using response surface methods

Response surface methods have been applied to the reliability analysis of laterally loaded piles. Beam elements and a series of discrete springs are used to model the pile–soil system. The pile head displacement and the maximum bending moment in the piles are used as the performance criteria in this study. It is shown in the illustrative example that the CDF and PDF curves of the pile head displacement and the maximum bending moment in the pile obtained from the proposed methods are in good agreement with Monte Carlo simulation. The failure probabilities of the pile under specified performance criteria, the probabilistic responses of the pile-soil system, and the effect of pile-soil parameters to the failure probability of the pile are also studied.     

基于p-y曲线分析隧道开挖对邻近单桩的影响

在分析隧道开挖对邻近单桩的影响时,基于Winkler地基梁模型的简化方法很难合理确定不同桩土刚度及地层位移条件下土体的等效参数。基于桩土界面非线性p–y曲线,提出了一种分析隧道开挖下邻近单桩响应的修正简化算法,结合有限差分原理,给出了非线性方程组的迭代法及增量法求解过程,同时将本文方法与既有研究成果进行了对比验证,并就相关问题进行了探讨。研究结果表明:在进行隧道开挖条件下邻近被动桩分析时,考虑桩土界面非线性特性是必要的,尤其是竖向;随着桩长增加,桩身在竖直方向上呈现出三种不同的受力性状;在cu/E p不变的情况下,桩身弯矩随着cu增加呈线性增长。     

开挖条件下非均质地基中被动群桩水平反应分析

地下工程开挖包括基坑开挖、隧道开挖等,邻近建筑物的桩基因开挖引起的土体位移会产生弯矩和变形。基于两阶段分析方法,考虑土体的非线性,采用Winkler地基模型模拟被动单桩桩土之间的相互作用,运用有限差分法进行求解以考虑地基土的分层特性,并基于简化Mindlin方程考虑群桩的桩–桩相互影响,计算被动群桩的遮拦效应,从而得到开挖条件下被动群桩水平反应的简化分析方法。最后将基于两阶段分析方法的差分解法与边界元解、现场实测结果、离心机实验结果等进行对比,验证了该方法的合理性及实用性。     

由单桩载荷试验推算群桩沉降的相互作用系数法

传统的相互作用系数法只能计算群桩的弹性沉降,且所得相互作用系数也明显偏大。采用三维数值方法拟合单桩荷载–沉降曲线,通过弹性及弹塑性分析确定土的弹性参数和桩–土弹塑性接触面参数;由此建立双桩模型,计算分析了桩顶荷载水平、桩距径比、桩端土–桩周土模量比、桩–土模量比、桩长径比、桩–桩之间存在第三桩等因素对相互作用系数的影响,并利用多项式回归拟合;根据数值分析及实测结果,提出了在相互作用系数法中利用单桩载荷曲线分析群桩线弹性和非线性沉降的方法,将相互作用系数法扩展至群桩沉降的非线性计算上。算例分析表明:计算结果与实测值吻合较好;较常规的数值模拟,节省了大量的运算机时,可用于大规模的较大桩距桩筏基础的分析计算。