液化场地桩-土-桥梁结构动力相互作用大型振动台模型试验研究

大型振动台模型试验是目前研究土 -结动力相互作用的一种极其有效的手段。以 1976年唐山地震中倒塌的胜利桥为原型 ,开展 1∶10模型的液化场地桩 -土 -桥梁结构动力相互作用大型振动台模型试验研究 ,很好地再现了自然地震触发地基砂土液化的各种主要宏观震害现象 ,并且模型桩的试验破坏状况与其原型的实际震害情况也比较吻合。主要介绍有关此次大型振动台模型试验的相似设计、操作技术及试验结果等方面的若干关键科学问题 ,以飨同仁。

液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用简化分析方法

液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用分析属于桩基桥梁抗震设计中的一个关键科学问题,而目前尚缺乏合理的简化分析方法。鉴于此,直接针对振动台试验,基于Penzien模型,建立了液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用的数值分析模型与相应的简化分析方法。通过振动台试验验证了数值建模途径与简化计算分析方法的正确性,可用于液化场地桩基桥梁结构地震反应的分析,并且特别考虑砂层中孔压升高引起的砂土承载力衰减效应,推荐了计算参数的合理选取方法;据此进行了桩径、桩土初始模量比、砂土内摩擦角、上部桥梁结构质量等重要参数对液化场地桩-土地震相互作用影响的敏感性分析。研究表明:在液化场地条件下,随桩径和桩土初始模量比的增大,桩的峰值加速度、峰值位移减小,而桩的峰值弯矩则增大;随砂土内摩擦角增大,桩的峰值加速度、峰值弯矩、峰值应力均增大,而桩的峰值位移则减小;随上部结构配重增大,桩的峰值位移、峰值弯矩均增大。

液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用振动台试验数值模拟方法研究

直接针对大型振动台模型试验,建立液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用数值模拟的二维分析模型和计算方法。根据桩基平面应变假定,将空间桩体转换成平面板桩,并考虑桩的尺寸效应;基于桩截面节点位移协调条件和平衡力系等效原理,建立四结点梁单元刚度矩阵且对Timoshenko梁杆单元刚度矩阵进行增广修正,以考虑桩的横向尺寸影响桩周土位移场分布的尺寸效应。根据有效应力原理进行土动反应分析,采用满足M asing准则的修正双曲线模型描述土动力变形的本构关系,同时考虑因孔压上升造成土体软化而对土动力性能的影响,由迭代法处理土的动力非线性。采用并联弹簧-阻尼器模拟计算域人工边界,以考虑边界波的反射作用对体系动力反应的干扰和土粘滞阻尼的影响。采用W ilson-θ逐步积分法计算体系的地震反应。通过与试验结果的对比分析,评估数值模拟的建模途径和计算方法的可靠性。

液化场地桩-土-桥梁结构动力相互作用振动台试验研究进展

本文在全面归纳与总结液化场地桩 -土 -桥梁结构动力相互作用振动台试验及与之相关领域的国内外研究进展基础上 ,直接针对我国桥梁工程中的主要震害问题 ,提出在我国开展液化场地桩 -土 -桥梁结构动力相互作用振动台试验研究的必要性 ,并阐述作者对液化场地桩 -土

土-地下结构体系地震反应的简化分析方法

基于Penzien提出的土-结构动力相互作用分析的集中质量模型,考虑等价土体的层间剪切刚度与阻尼效应,提出了土-地下结构动力相互作用体系地震反应分析的简化分析方法,选取具有不同地震动特性的Taft波、汶川地震什邡八角波和松潘波作为基岩水平向输入地震动,采用该简化方法和二维有限元法对土-地铁地下车站结构体系的地震加速度反应特性进行了对比分析,结果表明:简化方法计算的地铁地下车站结构峰值加速度反应大于二维有限元法计算的地铁地下车站结构峰值加速度反应,两者的差异与输入地震动特性有关,但其随地铁地下车站结构高度变化的总体趋势较为一致;随着输入地震动强度的增大,其差异程度也有所加大。该简化方法可合理反映土-地下结构体系的动力相互作用效应,可作为地下结构抗震设计分析的一种辅助方法。

地震作用下土-深埋地下结构相互作用的高效时程分析方法

基于黏弹性边界和将场地地震反应转化为等效荷载的有限元直接法是目前进行地震作用下土-结构相互作用分析的常用时程分析方法之一。当结构埋深较深时,整个土-结构系统的有限元模型自由度数目较多,尤其对于三维问题,计算效率低。提出一种高效分析方法,即一维场地反应分析仍然针对整个深厚土层,在后续的土-结构相互作用分析中将土-结构计算模型的自由表面向下移动、底边界面向上移动到接近结构的位置,通过缩减土-结构相互作用模型尺寸来提高计算效率。采用理论分析与数值算例,通过与采用整个深厚土层的传统土-结构相互作用分析结果对比,说明提出的高效分析方法能够满足精度要求,并且针对不同结构尺寸、结构埋深和围岩等级给出上、下人工边界位置的建议。

深软场地上考虑土-结构相互作用的斜拉桥被动控制分析

结合某一工程,采用软土粘塑性动力本构模型,在合理模拟深软场地非线性基础上讨论土-结构动力相互作用对斜拉桥被动控制效果的影响。利用软件ABAQUS建立了深软场地-桩基-斜拉桥三维有限元模型,作为对比,建立了深软场地上不考虑土-结构动力相互作用的常规刚性地基模型,通过时程分析法计算斜拉桥地震反应。计算结果表明:深软场地上考虑土-结构动力相互作用后,斜拉桥被动控制效果下降;在刚性地基上取得良好减震效果的被动控制手段若照搬至柔性地基上,可能不仅减震效果不好,还会给桥梁结构增加内力负担。

考虑水-饱和土场地-结构耦合时的沉管隧道地震反应分析

用理想流体介质模拟水层、流体饱和多孔介质模拟饱和土地层,在理想流体介质与流体饱和多孔介质相连接边界的连续条件基础上,结合已有的对理想流体介质、流体饱和多孔介质进行动力反应分析的显式有限元方法,开考虑地层与结构的动力相互作用,建立了进行水与场地、结构耦合动力分析的方法。利用该方法对沉管隧道的地震响应进行了研究,重点分析了水深、地质条件等因素对沉管隧道地震反应的影响,并从中得出了一些可供相关人员进行沉管隧道抗震分析时参考的结论。

既有上部结构向下增建地下结构抗震性能研究

基于深圳北站广场向下增建城际铁路地下车站结构的实际工程背景,场地土中地下车站附带上部已建结构的地震反应特征、相互作用机理及其破坏机制成为结构抗震性能评价的关键问题。鉴于此,采用整体动力时程分析方法建立了土-地下结构-上部结构静、动力耦合非线性动力相互作用的三维精细化数值模型,系统地研究了地下车站附带上部结构、单建地下车站结构、单建地上结构的地震响应规律及其损伤演变过程。结果表明:相比单建地下车站结构,由于受上部结构影响,增建地下车站结构的水平侧向力及其层间位移角均显著增大,且顶、底板地震损伤面积及程度明显加剧;相比单建地上结构,由于受地下车站结构影响,增建地下车站结构的上部结构的变形协调性显著降低,其地震损伤较单建地上结构严重,尤其在中柱与二层楼板连接处。研究成果可为既有上部结构向下增层拓建的科学设计、防震减灾提供支撑和借鉴。

单相土体与饱和土体地下结构地震反应对比研究

基于ABAQUS有限元软件计算平台,应用二维流固耦合两相介质动力模型孔压单元模拟饱和场地土体,进行饱和土体场地与单相土体场地中地下结构地震反应的对比研究。计算结果表明,地震反应最后时刻,单相土体场地中结构与饱和土体场地中结构的应力云图呈对称分布,且均在结构底角区域、混凝土柱顶部两侧区域、顶板中部外侧区域出现了应力集中;与单相土体中的结构相比,饱和土体中结构的Mises应力值较大,应力集中区域较多,区域面积较大。

自由场与土-地下结构场动力特征对比分析

通过数值模拟的手段,比较分析了自由场与土-地下结构相互作用场的动力特性,重点研究了土体及结构在相对位移最大时刻的动力反应与其最大动力反应之间的联系。结果表明:(1)自由场中土体的内力状态由相对位移或应变控制,且是一种局部现象;(2)土-地下结构相互作用场中,在结构相对位移达到最大时刻,结构及结构附近的土体的内力也达到最大值;(3)采用自由场的剪应力,然后再通过改变剪应力的分布形式,可以很好的模拟出土-地下结构相互作用场的内力状况。

土-地下结构相互作用的三维弱耦合有效应力分析法

地震波传播至土-结构接触界面时会发生反射与透射现象,结构周围土体处于往复剪应力和正应力差耦合的三维循环剪切状态。采用三维等效剪应变算法和加卸载判据将一维Davidenkov非线性滞回模型与剪切-体积应变耦合的孔压增量模型拓展至三维应力空间。考虑循环加载过程中土骨架循环刚度退化与超静孔隙水压力增长的耦合关系,建立了三维应力空间中的弱耦合有效应力分析法。基于ABAQUS显式求解器,实现了该有效应力算法,可应用于大型三维可液化场地中的土-地下结构体系非线性地震反应分析。针对已完成可液化场地三层三跨地铁车站结构试验开展数值模拟,结果表明:超静孔隙水压力的累积导致土的性状变化显著影响土-地下结构动力相互作用,数值模拟得到的土-结构接触界面能量聚焦时刻以及该时刻对应的瞬时卓越频率与振动台试验结果均吻合较好,提出的三维弱耦合有效应力法能较为理想地反映振动台试验中土-地下结构动力相互作用特性。土骨架有效应力水平显著影响超孔压比的发展规律,振动台不完备的密度相似比设计会造成模型结构周围地基土与原型的超孔压比分布规律存在差异。

地下连续墙对软弱夹层场地地下结构地震反应影响研究

在地下结构抗震分析中,软弱夹层场地较一般成层场地而言问题要更为突出。本文以双层双跨矩形框架地铁车站结构为研究对象,基于有限元软件ABAQUS,建立土-地下连续墙-地铁车站结构体系的静动力耦合有限元分析模型,研究地下连续墙对软弱夹层场地地下结构地震反应的影响,对比分析了在不同场地工况下地连墙以及地连墙的连接方式对地铁车站结构的地震响应规律。研究结果表明:地下连续墙与车站结构协同作用使得车站结构整体水平变形减小,且减小效果随着软弱夹层厚度的增加更加明显;地下连续墙同时会引起附加的侧向土压力作用到车站结构上,对上层中柱和侧墙顶部等部位存在不利影响,建议工程实践中采取一定的加强措施。

热效应下P波入射基岩-饱和土-非饱和土场地地震地面运动研究

基于热效应下弹性波的传播理论,通过建立P波入射基岩-饱和土-非饱和土场地模型,研究了该场地下地震地面运动的问题.采用Helmholtz分解原理,结合边界条件,对热效应作用下场地中的波场进行分析,得到平面P波入射基岩-饱和土-非饱和土场地地震地面运动的解析解答.通过数值模拟,分析了热传导系数、饱和度、地下水水位等物理力学参数对场地地震地面运动的影响规律.研究结果表明:在考虑热效应和等温条件两种模型时,场地位移放大系数表现出显著的差异.特别地,在等温条件下位移放大系数普遍大于考虑热效应时的值;水平位移放大系数的变化趋势与热膨胀系数及热通量相位延迟时间的增长呈正相关性.与此同时,当介质温度和饱和度增加时,水平位移放大系数则表现出下降的趋势;对于竖向位移放大系数,其变化模式与热通量相位延迟时间、介质温度和饱和度的增长呈正相关.然而,当热膨胀系数增加时,竖向位移放大系数呈现出减小的趋势;此外,热传导系数的增加对自由场地位移放大系数的影响不明显,表明热传导系数对场地位移放大系数的变化作用较小;在考虑地下水水位的影响时,热效应下随着地下水水位的升高,水平和竖向位移放大系数逐渐增大.相反,在等温条件下的位移放大系数均随之减小.

地下综合管廊土-结构接触面参数对地震动力响应的影响数值分析

为研究土-结构接触面参数对地下综合管廊地震动力响应特征的影响,建立动力有限元数值模型,模型边界采用激励侧固定边界、远离激励侧黏性边界、其余侧自由场边界的优化组合动力边界,土体本构采用HSS模型,接触面采用改进Goodman单元,动力荷载考虑三种情况(Rayleigh波的作用、底部激励了美国加利福尼亚Upland地震波以及前两者的共同作用),分别研究不同地震动输入、接触面折减系数的改变对综合管廊内力及加速度的影响。研究结果表明:在相同的折减系数条件下,与静力作用相比,动力作用下的结构内力明显增大,综合管廊设计时应考虑地震荷载作用下内力增大的情况;随着界面折减系数的增加,正弯矩极值减小,负弯矩极值增大,加速度峰值增大;在相同接触面折减系数条件下,底部地震波输入产生的结构内力极值显著高于仅有Rayleigh波输入的情况;考虑Rayleigh波和地震波共同作用条件下,引起的管廊结构内力极值与仅考虑底部地震波输入时的结构内力极值差异不大。研究成果可供地下综合管廊结构地震响应精细化数值模拟及抗震设计参考。

面向地下结构-土-地表隔震结构相互作用体系的性能评估框架研究

地下结构-土-地表结构相互作用(USSI)对周边场地及结构产生不可忽略的影响,为此,文章提出了一种考虑USSI的滑板隔震结构性能评估框架。该框架通过一系列振动台试验与数值模拟研究为目标隔震结构提供了性能评估参考模型数据库。以隔震结构参数设计与性能评估为目标,研究开展了地下结构-土-地表隔震结构动力相互作用系列振动台模型试验,基于试验结果建立了考虑USSI的隔震结构动力分析模型,对隔震结构在地震作用下的响应指标进行了分析与评估。研究表明:地下结构对地表及周边结构地震响应影响较大,其中以层间位移最为显著。本案例中的隔震结构不仅在控制加速度、层间位移以及层间剪力等方面效果显著,而且可有效削弱地铁车站对地表结构抗震安全的不利影响。所提性能评估框架可靠有效,可作为基准框架为此类重要隔震建筑进行评估与分析。

倾斜场地非均匀土-桩-结构地震相互作用振动台试验与数值分析

为了研究地震作用下倾斜场地桩-土-结构的相互作用规律,以西南山区某固体废物处置场为例,采用分离相似设计方法和基于连续介质力学的离散元法,进行了群桩结构模型振动台试验与数值分析。通过输入不同幅值的地震波,探讨了整个体系动力响应、处置场单元位移、桩身动应力变化规律及处置场的整体稳定性。并得出如下结果:(1)岩土体是否饱和对模型结构体系的地震动力响应和体系内力影响较大,饱水后位移和内力均要大于饱水前,但体系最大位移在安全范围内;(2)体系的加速度放大效应主要产生在桩身部分,上部结构整体运动主要以平动为主;(3)桩身轴力沿桩深度呈先增大后减小的趋势,增至强风化带底部最大,整个桩身以受压为主;桩身剪力最大值发生在嵌固段下端,强风化带以上剪力幅值及变化均较小,饱水后桩身剪力自上而下逐渐增大;弯矩自桩顶以下呈先增大后减小,然后再反向增大的趋势,最大弯矩发生在2/3桩身周围;(4)处置场整体稳定,但1号~2号处置场桩基设计应加强,处置场下部斜坡应进行抗滑桩等措施进行加固;(5)本项研究可为倾斜场地非均匀土-桩基-结构体系设计计算提供参考。

桩-土-基础隔震结构在不同场地类别中的动力响应分析

大多数隔震设计都是将地基假设为完全刚性而进行计算的,但土与地基对上部结构的相互作用(PSSI效应)是实际存在的。本文通过ETABS结构分析软件,建立考虑PSSI效应对基础隔震结构影响的三维模型,进行桩-土-基础隔震结构在不同场地类别中的有限元时程分析,研究不同场地类别中考虑PSSI效应对基础隔震结构动力响应的影响规律。结果表明:虽然天然地基可视为天然的隔震层,但主要影响结构自振周期和频率变化的是地基土对地震动的放大作用;地震波的频谱特性影响结构体系动力响应,可能放大或减小结构体系的动力响应;考虑PSSI效应的结构体系层间位移比不考虑PSSI效应的要大,容易超出规范规定的限值,因此,考虑PSSI效应是很有必要的。

基于子结构法的土-地下空间结构体系地震反应高效计算系统研究

为研发适用于土-地下空间结构相互作用体系地震反应分析的高效计算系统,本文基于子结构方法,综合利用ABAQUS软件和SASSI 2010的各自优势,通过二次开发,构建了一个适于土-地下空间结构动力相互作用分析的高效计算系统(ABAQUS-SASSI 2010 Combined System,简称ASCS).该计算系统实现了ABAQUS软件和SASSI 2010的无缝连接,用户可以按照ABAQUS软件的可视化前处理功能,方便地建立包括土-地下空间结构相互作用体系在内的各种有限元模型,并调用和执行SASSI 2010程序的不同模块,按子结构方法对整个体系实施高效计算.为验证ASCS计算系统的有效性,文中首先采用ASCS计算系统对日本阪神地震中大开地铁车站的震害进行了模拟;然后,采用ABAQUS软件建立土-大开地铁车站结构相互作用体系的整体有限元分析模型,通过对比分析ASCS计算系统的子结构法结果和ABAQUS软件的整体有限元法结果,进一步验证了ASCS计算系统的计算精度和效率.结果表明:基于本文ASCS计算系统的数值模拟结果与阪神地震中大开地铁车站的震害结果一致;ASCS计算系统的子结构法结果与整体有限元法结果基本吻合,但前者的CPU时间是后者的1/21,明显提高了计算效率.

不同场地考虑土-结构相互作用的井塔地震反应

为研究Ⅱ、Ⅲ类场地下土与结构(井塔和井筒)相互作用对井塔抗震分析的影响,采用理论分析和数值分析两种方法,系统研究不考虑土-结构相互作用、Ⅱ类及Ⅲ类场地下考虑土-结构相互作用对井塔地震动力反应的影响,提出并建立体系在时域内的理论运动方程,利用MATLAB语言编制Runge-Kutta法的求解程序,结合有限元软件建立体系的数值分析模型。以某钢筋混凝土剪力墙结构井塔为例,得出Ⅱ、Ⅲ类场地下考虑体系相互作用对井塔地震反应的影响规律。结果表明:建立的理论分析模型与数值分析模型吻合较好,对应理论解与数值解的最大差值为9.8%,验证了彼此的准确性;Ⅱ、Ⅲ类场地下3条地震波地震反应平均放大系数分别为1.8、2.4倍。工程设计中,Ⅱ、Ⅲ类场地下应该考虑土-结构相互作用对井塔抗震分析的影响,并且土体越软,土-结构相互作用对井塔抗震分析的影响越大。