不同倾斜方式对倾斜液化场地地震响应的影响分析

在倾斜场地地震液化后,土体的侧向流动扩展引起的场地失效以及大变形问题的研究中,不同的倾斜方式会对试验结果产生一定的影响,而目前针对不同倾斜方式对倾斜液化场地土体地震动力响应影响评价的研究成果还较为少见。根据课题组开展的水平液化自由场振动台试验,首先基于OpenSees有限元平台建立了水平液化自由场有限元计算模型,在数值模型中考虑了模型箱对场地土地震响应的影响,通过对比数值计算结果与试验结果验证了数值模型的可靠性。在此基础上建立了倾斜液化自由场有限元计算模型,分别建立了层剪箱整体倾斜模型、层剪箱场地土倾斜模型和刚性箱场地土倾斜3种不同的数值模型来模拟振动台试验中采用的不同的倾斜方式。通过对比,分析了在0.3g汶川地震卧龙波作用下3个数值模型计算得到的自由场土体动力响应结果,并讨论了3种不同的倾斜方式对计算结果的影响,最后给出了针对倾斜液化场地地震动力响应数值模拟和振动台试验研究中的一些有参考价值的结论。

振动台试验双向层状剪切型连续体模型箱设计及测试

为研究非一致地震激励下土箱边界对埋地油气管道振动台试验的影响,该文章在国内外研制振动台用模型箱的基础上,设计了适用于该试验用的双向层状剪切型连续体模型箱,该模型箱是由层叠式框架箱体、滚动滑移机构、限位滑移机构以及伸缩机构等组成的三维结构体系。运用有限元分析软件ABAQUS对设计的模型箱进行振型分析,并利用振动台试验结果与数值模拟结果对照,探究在一致、非一致地震激励下模型箱的适用性及稳定性。分析结果表明:设计模型箱的自振频率与箱-土的自振频率相差较大,即模型箱对模型箱内土体的自振特性影响较小;同一深度处不同测点的土体加速度时程曲线吻合程度较高,即模型箱的边界效应较小;不同高度处的土体位移时程曲线波动幅度较大,即模型箱的层间剪切变形能力效果较好;同一高度处箱体两端的位移时程曲线表现出明显差异性,即箱体两端的错动变形效果理想。故该文所设计的双向层状剪切型连续体模型箱能够实现剪切变形效果和降低模型箱边界效应的影响,该模型箱的研制为今后研究埋地管道的地震响应问题提供坚实保障。

振动台试验用层状剪切变形土箱的研制

比较了桩 -土 -结构动力相互作用试验用到的各种盛土容器的优缺点 .在此基础上 ,研制了用于试验的层状剪切变形土箱装置 ,并进行了土体自由场地的振动台试验 .试验结果表明 ,所研制的装置非常成功地模拟了土的侧向变形边界条件 .

悬挂式层状多向剪切模型箱的设计分析及试验验证

根据试验目的,运用悬挂隔振和滚珠隔振的理论,设计了悬挂式层状多向剪切模型箱装置。该装置是由钢索吊起的多层圆形框架、悬挂支架和底板组成的空间结构体系。通过对这种新的模型箱结构形式的理论分析,论证了所采用的模型箱结构形式和隔振措施能有效的减少模型箱对模型土振动特性的影响,大大削弱了模型箱自身质量引起的惯性作用对模型土动力响应的影响。通过数值模拟和对试验中模型土加速度时程的对比分析以及模型土的振型分析,论证了在水平地震激励作用下,模型土产生层状剪切变形,且各部分模型土的地震响应一致,能有效模拟土体的侧向变形边界条件。该模型箱既消除了现有柔性模型箱在水平地震激励作用下产生的土体拱效应现象,也克服了现有层状剪切模型箱仅能单向输入水平地震激励的不足。

饱和砂土地基液化特性振动台试验研究

饱和砂土地基试验是研究碎石桩复合地基抗液化性能振动台试验的先导和必要组成部分。本文采用自行研制的简易单向专用振动台和大型叠层剪切变形模型箱完成了两个饱和砂土地基模型的三次振动台试验,验证了模型箱的性能和模型地基内部的均匀性。通过量测振动过程中砂土的超静孔隙水压力,得到了饱和砂土地基液化规律以及振动加密对其抗液化能力的影响。同时,探索了饱和砂土地基液化大型振动台模型试验技术,如饱和砂土模型地基设计与制备、传感器布置、试验加载方案确定等,为今后开展此类试验提供一般的研究思路,并且为后续碎石桩复合地基振动台试验提供了必要的技术经验。

振动台土-箱结构模型动力特性及反应的解析分析

在振动台模型试验中,模型箱的设计直接影响到结果的准确性和可靠性。指出了叠层剪切型模型箱存在的主要问题有模型箱的附加质量、层间的摩阻力以及最大位移的限制。基于剪切梁法建立了土柱与模型箱相互作用的简化模型,在土体剪切模量均匀分布和沿高度指数分布的情况下,分别推导了其动力特性与反应的解析解,进而讨论了模型箱尺寸、材料对土体动力特性的影响。结果表明:与纯土柱相比,模型箱附加质量使土–箱系统自振频率减小;模型箱尺寸越大,土–箱结构自振频率误差越小;在相同尺寸下,铝合金模型箱的自振频率误差明显小于钢质模型箱。在此基础上建立了模型箱尺寸和材料应满足的公式。该方法可为设计合理的模型箱提供一定的参考。

地下综合管廊结构振动台模型试验与有限元分析研究

在地下结构的振动台试验中,模型箱的设计是影响试验精度的一个很重要方面,本文的试验中采用了层状剪切砂箱,以最大限度地减小模型箱边界效应。而如何在数值计算中对层状剪切砂箱进行模拟成为数值分析要解决的关键问题。本文就是以此为背景展开了探讨,提出用变刚度的方法来近似模拟层状剪切砂箱,通过数值模拟结果与试验结果的对比发现,效果较好。在自由场计算的基础上,对综合管廊结构的振动台试验进行了数值模拟,计算结果与试验结果对比较好,说明本文建模计算方法是正确的,为后续的研究提供了基础。

大型叠层剪切变形模型箱的研制

振动台模型试验是研究工程结构抗震的重要手段之一。在碎石桩复合地基抗液化特性振动台试验研究中,基于半无限自由场原型土层的地震反应分析,在比较了目前国内外研究岩土结构地震问题振动台试验常用的3种模型箱(刚性模型箱、圆筒型柔性模型箱和叠层剪切变形模型箱)各自优缺点的基础上,设计一个可以用于振动台试验的大型叠层剪切变形模型箱。该模型箱由方钢管焊接的矩形框架和层间滚珠轴承构成,可以很好地模拟原型土层在天然地震剪切波作用下的变形特性。试验结果表明,所设计的叠层剪切变形模型箱不仅为本次试验获得成功打下了坚实的基础,还可以应用于其他岩土地震问题的试验研究。

沉管挤密碎石桩加固液化土地基的振动台试验研究

以碎石桩桩网复合地基加固京沪高速铁路液化土地基为原型,对模型比例为1∶10的振动台模型试验进行研究。研究结果表明:碎石桩桩网复合地基加固液化土地基不仅提高了地基的抗液化能力,而且大大减小了地基路堤沉降;在7度抗震设防下,满足京沪高速铁路抗震设计要求。

堆叠式剪切模型箱的改进

对现有叠层剪切模型箱进行技术改进,其整体改进思路是用轴承和端部弹性约束系统分别取代常见的滚珠和侧向刚性约束系统。改进措施是把原叠层方钢框架模型箱改成H型钢和方钢交替堆叠式模型箱;层间轴承外径由16mm调整为72mm;模型箱受力形式由"抽屉式"改为"堆叠式";非主振方向上铆接弹性薄钢板取代侧向刚性约束系统。并用ANSYS软件对铆接弹性薄钢板情况进行模拟,结果显示,其对模型箱和土体的动力特性影响很小。改进后的模型箱自重减小,层间间隙缩小并且可根据需要调整,模型箱受力机制更接近于实际土体。设备的可循环操作性和使用性能增强,可最大程度地利用现有的试验设备实现土体在动荷载作用下的自由剪切变形模拟。

横向行波效应激励下埋地油气管道地震响应振动台试验研究

埋地油气管道为无限长线性结构,如仍采用一致地震输入对其进行地震响应分析,则与实际情况可能存在差异。为研究埋地油气管道在行波效应地震激励下的地震响应规律,研发了双向层状剪切型连续体模型土箱,设计了测试方案,通过埋地油气管道地震响应振动台试验,对比分析了横向一致地震和行波效应地震激励下埋地油气管道和周围土体的应变响应、加速度响应特性和变化规律。试验结果表明:研发的模型土箱能够满足行波效应地震激励和土体连续性双向层状剪切变形的要求;行波效应激励下管道中间截面峰值应变响应更大,管道加速度响应更大,响应曲线的多峰值特征明显;土体加速度响应随着土层埋深自下而上,表现为先减小后增大,且行波效应激励下的波动范围更大;随着加载等级的提高,管道加速度响应逐渐大于周围土体加速度响应,且在行波效应激励时,增大更加明显;土体中埋入管道后,管道与土体间产生了相互作用,且行波效应激励下管-土接触面间隙更大,管道受周围土体的约束力更弱,土体更早进入非线性,管道自身的振动特性表现更为明显。

土-地下结构体系拟静力推覆试验模型箱类型的优选

针对土-地下结构体系拟静力推覆试验的需求,采用数值方法对试验中模型箱类型及侧边界位移分布影响进行了讨论。首先介绍了土-地下结构体系拟静力推覆试验方案,随后基于该试验方案分别建立试验推覆方法的自由场有限元模型及土-结构有限元模型进行数值分析,重点对比侧边界位移分布形式不同的情况下,土-地下结构体系拟静力推覆试验中的等效地震荷载分布、土-结构相互作用力、结构抗震能力及混凝土结构等效塑性应变等方面的差异。结果表明,试验中控制侧边界位移分布形式将直接影响等效地震荷载分布,进而影响土-结构相互作用力及结构内力分布,特别是侧边界位移分布形式对多层模型结构试验结果影响较为显著,甚至可能影响试验中多层模型结构的破坏过程及薄弱构件。考虑到地震动荷载的随机性及地下结构形式的多样性,在土-地下结构体系拟静力推覆试验中采用侧边界位移分布形式可调的层状剪切箱较为合理。

双向叠层剪切箱的研制及模型土体振动台试验研究

在结构–土体动力相互作用试验中,最常用的盛土容器是叠层剪切箱。在总结国内外剪切箱经验的基础上,研制出了刚度可调的二维叠层剪切箱,改进了箱体层间滑动装置。通过地震激励下模型土体试验,验证了该剪切箱很好的解决了单向水平地震输入时的边界效应,研究了土体在地震作用下的位移变化形态和非线性特征,得到了土体剪应力随地震动峰值的变化规律。结果表明:不同高度处土体的位移分布接近第一振型,土体剪应力和剪应力–剪应变滞回曲线的包络面积都随着地震动峰值的增大而增加,但是上下部土体的剪应力增加速率存在明显不同。

振动台试验新型叠层剪切模型箱的设计与性能测试

振动台模型试验是开展地震作用下土-地下结构动力相互作用研究的重要手段,而模型箱的性质将直接影响到试验结果的准确性。基于结构动力学的基本原理,设计研制了设有可调节弹簧和阻尼装置的层状剪切模型箱,并对其有效性进行了试验验证;同时,基于ANSYS软件对模型箱的动力性能开展了模拟分析。试验和分析结果表明,研制的设有可调节弹簧和阻尼装置的全仿真层状剪切模型箱具有良好的真实场地无限边界条件的模拟效果,可体现土-地下结构相互作用体系的动力反应是由速度和位移控制的特点;针对不同试验中所选择的模型土种类的不同,该模型箱可调整其自身性能,以满足试验对降低模型箱边界效应的要求。该模型箱的研制为今后其他岩土地震工程问题研究中试验箱的选择提供了新思路。

行波激励下桩-土-斜拉桥多点振动台试验

为了研究桩基和场地土以及地震动空间效应对大跨斜拉桥地震反应的影响,以一座试设计主跨1 400m超大跨斜拉桥为试验原型,按1/70几何缩尺比设计和制作了一座包括群桩基础、模型土和上部结构等在内的试验全模型,缩尺后试验模型全长38.2m;根据动力等效原则,采用由砂子和木屑均匀混合而成的模型土模拟场地土,且用层状剪切土箱盛放。采用时间滞后的方法实现行波效应,通过多点振动台试验分别研究了纵向行波、横向行波对超大跨斜拉桥地震响应的影响及其机理。试验结果表明:行波作用对斜拉桥地震响应的影响非常复杂,纵向行波使塔顶纵向加速度和主跨竖向加速度的最大增幅分别约为50%和40%,而横向行波使塔顶和主跨横向加速度的最大减幅分别为15%和50%;纵向行波使主跨竖向位移的最大增幅约为40%,而横向行波使其横向相对位移的最大减幅为20%。行波作用对斜拉桥不同构件地震响应的影响也不同,与一致激励结果相比,纵向行波使塔顶、塔-梁以及墩顶相对纵向位移的最大减幅分别约为50%、40%和60%,使主跨竖向位移的最大增幅约为40%。此外,试验发现桩-土-结构相互作用对主塔、桥墩的加速度响应产生明显不利影响,使塔底增大2倍多,墩底增大1.1~4.0倍。基于上述结果,建议在斜拉桥地震反应分析或抗震设计时,需考虑行波效应和桩-土-结构相互作用等因素的影响,特别是其不利影响。

超大跨斜拉桥多点振动台试验研究

以一座试设计主跨1400 m斜拉桥为工程背景,进行了多点振动台阵试验。试验采用包括桩基础的1∶70缩尺模型,通过层状剪切土箱模拟场地土的作用,台阵包括4个振动台,可模拟非一致地震输入。研究了半漂浮体系、弹性约束体系和辅助墩体系等不同结构体系对斜拉桥纵向地震响应的影响;进而针对辅助墩体系,研究了上塔柱区段附加耗能构件对斜拉桥横向地震响应的影响;最后通过破坏性试验研究了斜拉桥的横向破坏模式及其灾变过程。结果表明:弹性拉索体系和辅助墩体系可有效减小主塔和塔-梁的纵向相对位移;附加的耗能构件对塔顶横向相对位移的减小效果有限,但可有效降低主塔应变响应,起分散主塔受力和附加耗能作用;主塔的横向破坏模式具有明显的双塑性铰模式。

简易振动台试验设备研制

为了完成多桩型复合地基抗液化性能振动台试验,利用实验室已有的反力墙和作动器,设计了一个小型的简易单向振动台系统和堆叠式剪切模型箱。堆叠式剪切模型箱内部尺寸为1200mm×800mm×772mm,由8层铝合金框架和7层橡胶条叠合而成。利用ANSYS有限元软件对模型箱及地基-模型箱进行了动力分析,并通过饱和粉细砂地基模型振动台试验验证了模型箱的效果。结果表明,所设计的模型箱能够较成功地模拟天然场地的边界条件,为多桩型复合地基抗液化性能振动台试验的顺利进行打下基础。