软土基础核岛厂房振动台试验数值模拟分析

采用土-结相互作用分区分析方法(partitioned analysis of soil-structure interaction,PASSI),对软土地基核岛厂房振动台试验中的筏基-混凝土框架模型以及桩基-混凝土框架模型进行了数值模拟,对比分析了振动台试验结果与数值模拟结果,并对软土地基下核岛厂房土-基础-结构的地震响应特征进行了分析。对2种模型输入调幅为0.05、0.10、0.20 g的RG160、Chi-Chi与Landers地震波,对比分析了各工况下振动台试验与数值模拟的土体与结构加速度放大系数、楼层反应谱、筏基底部土压力时程、桩身应变以及桩身弯矩。结果表明:数值模拟结果能较好地反映振动台试验结果;经过土层放大作用,随着楼层的增高,振动台试验和数值模拟中的加速度放大系数随之增大,反映了同样的规律;振动台试验与数值模拟所得的土-结体系的反应谱均与输入地震动频谱特征及体系的振动特性相关;振动台试验中,筏板基础会出现倾覆现象,筏基底部土压力时程表现出“东高西低”的现象,但数值模拟中筏基底部的土压力时程未出现此种现象,其原因是数值模拟中未考虑土体与基础的接触非线性;数值模拟中群桩的地震响应与试验的宏观现象基本吻合,定量上有差异,是数值模拟中未考虑桩的非线性所致。

软土地基桩基础抗震研究的若干进展与展望

桩基础是软土地基上常采用的基础形式,地震发生时会伴随软土地基震陷而导致基础损伤和失效,造成巨大的人员伤亡和财产损失,长期以来受到地震工程学界的广泛关注。当前由于软土震陷的实际观测资料非常匮乏,存在震陷量估算不清、考虑软土震陷与负摩阻力的桩土相互作用机理不明、桩基础地震损伤认识不足等科学问题。通过收集整理近年来国内外大地震的工程震害资料和现场科考经验,从模型试验、数值分析、简化理论分析以及经验法等角度较全面地对桩基础抗震的主要方法和手段展开评述,归纳总结关于软土地基桩基础抗震方面的最新研究成果,阐明了软土地基桩基础震害的现象和机理,并对软土地基桩基础抗震的最新研究成果进行了系统地梳理和总结,大部分研究表明导致桩基础动力损伤和破坏是地震作用下桩土动力相互作用的共同结果,其中软土震陷等地基失效是外因,桩基础自身强度的缺陷是内因,最后针对当前相关研究工作存在的问题和不足之处,对今后的研究方向和工作思路提出了展望与建议,特别是在缺少震害经验和观测记录的背景下,运用高效科学的模型试验是解决当前桩土相互作用问题的重要技术途径和研究手段。

结构–桩筏–地基体系时间效应的三维数值分析

软土的非线性特性及上部荷载作用下地基的固结效应对上部结构内力分布及桩筏基础变形往往具有不容忽视的影响。不考虑上部结构刚度影响的共同作用分析常规设计方法与二维简化方法尚未全面地反映共同作用体系的实际工作机理。为此基于Biot固结理论,考虑地基土的弹塑性特性,对上部结构–桩筏基础–地基共同作用体系的时间效应进行了三维有限元数值分析。结果表明:地基的固结效应对共同作用体系的承载机理与变形协调能力具有显著的影响,共同作用体系的工作性能紧密地依赖于超孔隙水压力随时间的变化特征。同时上部结构刚度对共同作用体系的时间效应也具有不可忽视的影响。因此,在共同作用体系分析中应合理地考虑结构刚度效应和地基固结的时间效应。

柔性基础下桩体复合地基的解析法

柔性基础、垫层、复合地基、下卧层土体的共同作用一直没有得到较好的考虑。将四者作为一个共同作用的系统,假设桩土界面之间存在相对滑移且同一水平面上地基土沉降不同,考虑系统四部分界面上的应力与变形协调,对典型单元体建立荷载传递基本微分方程并给出其解答,从而得到表征复合地基性状的沉降和桩土应力比等的求解公式;与某工程实测成果及按现行规范推荐方法计算所得结果对比表明该解答是合理的,柔性基础下桩体复合地基中的桩土荷载分担比、荷载传递机制等均与刚性基础下的复合地基不同,工程设计中要高度重视和运用等沉面和中性面的概念;最后对进一步的解析法研究提出了建议。

上部结构、筏板基础和地基共同作用的有限元分析

考虑上部结构、筏板基础和地基的共同作用,运用ANSYS有限元计算方法,通过上部结构、筏板基础和地基之间在连接点处的静力平衡和变形协调条件,分析了上部结构对筏板基础变形、内力影响以及筏板基础对上部结构变形、内力的影响,探讨了共同作用的影响规律。计算结果表明,考虑共同作用时,上部结构承担了部分筏板基础荷载,使筏板基础内力、变形减小;考虑筏板基础的刚度时,由于整体弯曲的作用,使上部结构的应力产生重分布,梁产生了附加弯曲应力,增大了上部结构的内力,因此在工程设计中应考虑共同作用的影响,使工程更安全、更经济。

基础梁边界约束作用的虚拟节点法

在传统弹性基础梁内力分析的数值计算方法中,采用Winkler地基模型或双参数地基模型的缺陷是没有反映地基对梁端约束及地基应力扩散的影响。采用虚拟延展梁的方式来代替地基对梁端的约束作用,给出虚拟梁端参数的控制方程,建立新的、完整的基础梁的有限差分方程组的方法和求解控制条件。通过编制计算程序,选用典型算例,得到考虑地基对梁边界约束影响及应力扩散的基础梁的数值解答。本方法可供实际设计计算基础梁内力时,考虑地基对梁端约束作用时参考应用。

超深基坑开挖对超临近高层建筑影响的离心模型试验研究

以上海某38m超深坑开挖为研究对象,利用离心模型试验研究了超深基坑的开挖后围护结构变形、周围地表沉降、临近建筑变形及其内在联系,并对有无超临近建筑的基坑开挖进行了对比分析。试验研究结果显示:超深基坑围护结构变形随着开挖进行而加大,在开挖后期侧移最大值不再增大,只是最大值点下移;地表沉降呈凹槽形,槽底随开挖的加深而逐渐向下向外移;临近高层建筑因基坑的开挖而发生不均匀沉降和水平侧移,但是变形量均在可接受的范围内;临近建筑物的存在使得围护结构的变形较无临近建筑时要小。

地基固结对结构—筏板—地基共同作用影响的三维数值分析

不考虑上部结构刚度影响的常规设计方法及共同作用分析的二维方法尚未真实地或全面地反映上部结构-筏板基础-地基的联合工作机理.为此,基于三维Biot固结理论,结合Mohr-Coulomb理想弹塑性模型考虑地基土的非线性特性来反映地基的固结效应,对上部结构-筏板基础-地基共同作用体系进行了三维有限元数值分析.计算与分析表明:当考虑三维空间效应时,地基的固结作用对上部结构-筏板-地基共同作用体系的承载机理与变形协调能力具有显著的影响,共同作用体系中各部分受力变形特性具有明显的时间效应,并且紧密地依赖于超孔隙水压力随时间的变化特征,同时上部结构刚度对共同作用时间效应的影响较为明显.

箱形基础在上下部共同作用下整体受力的极限分析

提出箱形基础在上下部共同作用下整体受力极限分析方法,并与实际工程实测结果对照验证其合理性与可靠性。将上部结构与箱基、地基视为整体,借助于上下部同步进入极限状态的虚功率方程,从极限分析的角度对箱基在上下部共同作用下的整体受力进行求解。根据十字机动破坏模型和双抛物线基反力破坏模式,求出相应箱基整体受力上限解。箱基整体进入极限受弯状态时,视上部结构为框架体系,计算上部结构抗弯刚度对箱基整体受力解约束效应分析。选取两个具有较完整实测结果的箱形基础工程按以上方法进行极限分析,并与实测对比。结果显示,与现行“箱筏基规范”考虑上部效应法相比,该极限分析方法计算结果更接近实测。同时,上下部共同作用整体受力极限分析方法更易于手算和电算编程,并可用于各种基反力模式。

考虑结构刚度效应的筏基完全共同作用体系分析

筏板基础作为软土地基上高层结构的一种重要基础形式,在工程实践中得到了广泛应用。合理考虑上部结构、筏板与地基的共同作用效应具有现实意义。然而目前大多数研究仅限于二维分析,在工程设计中所采用的常规方法尚无法考虑共同作用效应。为此,在考虑地基的弹塑性性质与上部结构及筏板的刚度效应的基础上,在对上部结构、筏板基础与地基三者所组成的共同作用体系进行整体三维空间有限元数值分析。分析结果表明:当考虑三维空间效应时,上部结构和筏板基础的刚度对基础自身内力与变形具有显著的影响,并呈现不同的特征与趋势,但是这种影响具有一定的有限性。同时共同作用所引起的次应力效应、荷载分担转移等效应在工程设计中应予以合理地反映。

半无限大弹性地基上变截面筒中筒高层建筑结构的自由振动

本文以变截面筒中筒结构为例建立了地基、基础与上部结构共同工作的自由振动模型；导出了计算储存在半无限弹性地基中弹性变形能所需的各种地基刚度。通过对广东国际大厦所采用的筒中筒结构的自由振动分析，得出了一些令人满意的比较切合实际的结论。

基于地基–基础–上部结构共同作用分析的长短PHC管桩基础处理

探讨了采用地基–基础–上部结构共同作用分析的方法,分析长短PHC管桩基础的工作性能。该方法以变刚度调平理论[1]及地基–基础–上部结构共同作用理论[2]为基础,以瑞士开发的高性能岩土工程数值分析软件zsoil.pcv2010 x64版本为求解工具,提出了基于上述理论和工具处理长短PHC管桩基础的方法。还介绍了3个基于上述理论处理长短PHC管桩基础的工程实例,均取得了较好的处理效果。

黄土地区高层建筑结构-桩-土共同作用的受力分析与数值模拟

通过对高层建筑上部结构 桩 土共同作用的分析 ,定量地说明了上部结构荷载在共同作用下形成重分布 ,荷载向边柱集中 ,形成“深梁” ,找出了黄土地区上部结构与基础共同作用的分布规律 ;利用差分法求出了基础梁产生的弯矩与剪力的表达式。其结果无论是在静力分析的定性规律上还是在其定量数值上均得到了与黄土地基测试结果较好的一致性 。

上部结构-桩基础-地基相互作用体系地震反应分析

考虑上部结构与地基基础的动力相互作用,通过模型试验研究上部结构-桩基础-地基体系的地震反应,并运用ANSYS软件进行模拟分析,计算相互作用体系在水平地震作用下的动力反应。结果表明,有限元分析结果与模型试验结果比较接近,ANSYS软件可用于相互作用体系的分析。

岩溶区地震波的反演分析

对岩溶区地基—基础—上部结构共同作用体系动力分析时,进行结构分析的关键步骤之一是输入合理的地震波,对所选择的地震波进行反演是很有必要的。首先简要介绍岩溶区的地质特点以及地震波反演的基本理论,接着采用EduShake软件对所选地震波进行反演分析,并与地表处地震波对比分析,结果表明:地表处的EI Centro波和Taft波的加速度均比基岩处的加速度大,其中地表处的EI Centro波和Taft波的加速度峰值比基岩处的加速度峰值分别大12.3%和24.9%;EI Centro波、Taft波地表处与基岩处的加速度短时均方根的衰减规律基本一致,且地表处的加速度短时均方根时程曲线总体较基岩处的加速度短时均方根时程曲线偏大,说明地表处地震动强度较基岩处大,即岩溶区土层对地震波有放大的作用。

基于UPFs的粘弹性人工边界单元及地震动输入方法研究

基于粘弹性人工边界相关理论和地震动输入方法的有关理论,推导并建立了既具有粘弹性人工边界特性,同时可以将地震动转化为施加在人工边界上等效荷载的三维粘弹性人工边界,并利用二次开发工具UPFs将其成功地嵌入至通用有限元分析软件ANSYS中。通过Lamb表面源问题以及内源问题对上述二次开发单元进行了验证。算例表明,该单元可以很好地对无限地基辐射阻尼进行模拟。随后通过对自由场波动输入问题的验证,表明该单元可以实现在有限元单元级别上准确有效地施加地震动等效荷载。与传统的粘弹性边界施加方式相比,该单元有着更简单的使用性以及更强的操作性,同时又不增加计算模型的规模等优势,因而计算效率更高。同时,结合通用有限元分析软件ANSYS强大的建模和计算分析能力,使粘弹性边界有着更广泛的应用,并可适用于各种结构-地基动力相互作用问题的分析。

桩–网复合地基与桩承式路堤的对比数值模拟

刚性桩加固软土地基常采用桩体+格栅以及桩+桩帽两种不同的处理形式,前一种处理方式是一种桩–网复合地基的处理形式,后一种一般称为桩承式路堤。两种形式在变形特性以及桩体受力特性上有其不同的特点。由于缺乏有效的对比研究,在处理方式的选取上存在一定的困难。鉴于现场试验手段的局限性,在现场对比试验的基础上对两种处理方式进行了三维流固耦合模拟和对比分析工作,揭示了不同处理方式桩顶平面沉降变形的特性,同时对桩体的应力进行了对比研究。

框架结构-筏板基础-地基共同作用的力学特性

通过ANSYS模拟了框架结构-筏板基础-地基的共同作用情况,建立了三者的变形协调方程,分析了考虑共同作用对结构内力、筏板及地基沉降的影响规律,得出了考虑共同作用时,上部结构端柱呈现出最大加载、柱底弯矩成倍增长,而筏板基础和地基的应力和沉降都明显减小的结论。

高层建筑地基基础概念设计的思考

基于高层建筑箱、筏、桩筏基础变形、反力等实测资料的分析指出,按传统理念设计的箱基、筏基、桩筏基础有两个缺陷:一是呈现明显的碟形沉降引起上部结构的较大次应力;二是基底马鞍形反力分布导致基础板或承台冲剪力和弯矩显著增大。为使差异沉降和箱、筏承台的内力减至最小并改善上部结构受力性状,提出变刚度调平概念设计。对于框筒、框剪结构,应强化核心筒区的桩土刚度(调整桩长、桩径或桩数),相对弱化外围刚度;对于主裙连体建筑,应强化主体,弱化裙房(采用天然地基、复合地基和疏短桩基);对于箱、筏基础,可局部强化核心筒区(采用桩基或刚性桩复合地基)。对于上述变刚度调平概念设计,进行上部结构—基础—桩—土共同作用分析,进一步优化布桩和承台配筋。通过大比例现场模型试验对上述优化设计理念进行了验证,并应用于10余项工程,取得了良好的技术经济效果。

地基土参数对核电厂地震动响应的敏感性分析

基于两种规范方法计算得到的地基阻抗函数,分析计算CPR1000安全壳结构的地震反应,量化了RCC-G和ASCE4-98两种规范方法计算的地基阻抗函数差异对核电厂结构反应产生的影响,同时考虑地基阻抗函数敏感性,研究了地基土剪切波速、泊松比及地基土密度3种影响因素变化情况下核电厂结构的反应规律.结果说明:ASCE4-98计算地基阻抗函数的方法较RCC-G方法保守;地基土密度对核电厂结构响应的影响较小,地基土泊松比对核电厂结构响应的影响可以忽略;一定条件下地基土对核电厂结构响应起到了隔震效应;随着地基土剪切波速的增大,核电厂结构响应变化幅度降低,当剪切波速从1900m/s增加至2200m/s时,安全壳结构最高点水平向加速度变化幅度约2%,竖向加速度峰值随剪切波速的变化已经出现拐点,考虑到整个计算过程的不确定性,本文建议当地基土剪切波速大于等于1900m/s时,CPR1000安全壳结构可不考虑地基与结构的相互作用.