桩土结构相互作用及辅助墩对组合梁斜拉桥地震响应的影响

为探究桩土结构相互作用(SSI作用)和辅助墩对组合梁斜拉桥的地震响应规律,采用数值模拟和参数分析法研究不同计算工况和土层特性下组合梁斜拉桥的地震响应。结果表明,有辅助墩无桩基的各阶频率最高,因为考虑SSI作用后,结构刚度降低,且有辅助墩相对于无辅助墩,结构刚度提高;有辅助墩和考虑SSI作用可减小塔底弯矩,且在纵向+竖向地震下的斜拉索轴力大于横向+竖向地震下的斜拉索轴力;随着土层硬度增加,位移和内力响应有缓慢减小的趋势。

基于桩-土相互作用的软土地区结构抗震影响分析

从兰州市某医院的桩-土-结构耦合体系出发,使用有限元软件ABAQUS建立与该建筑所对应的桩-土-结构耦合的三维有限元模型,其中混凝土柱、梁、桩及土体皆使用实体单元(C3D8R)进行模拟,土体使用Drucker-Prager本构模型,桩土接触之间采用主从接触面法来模拟,通过对三种不同地基土工况的整体模型及仅考虑上部结构地基刚接模型进行模态分析与地震时程响应分析,研究了上述四种工况在3条地震波激励下的上部结构动力响应特征。计算结果表明:在考虑桩-土-结构相互作用后其模型自振周期均大于仅考虑上部结构刚接;随着土体弹性模量的降低,其自振周期会有所提升;框架结构的医院虽然楼层较低,但在考虑桩-土-结构相互作用后,对结构的地震响应表现出放大效应;其顶点加速度、顶点位移、层间位移角、基底剪力均大于仅考虑基底刚接;并且随着土体弹性模量的减少,土体的软化,其上部结构的地震响应均有不同程度的放大。

考虑桩-土-结构相互作用下的跨地铁隧道基坑和基础设计与分析

本项目为跨既有地铁隧道的高层建筑,通过对基坑及转换基础进行精细化的设计与分析,保证地铁隧道和高层建筑的安全。采用考虑桩、土、上部结构相互作用的m法建立整体模型,对不同的m值结果进行对比,得出桩和转换梁的合理内力进行设计;运用Midas/GTS软件分析基坑开挖和主体结构施工对跨下地铁隧道的影响,对比基坑底采用格构式加固和满堂式加固对地铁隧道隆起的影响,同时运用Midas/GTS软件对桩和转换梁进行有限元实体分析。研究表明,当m值较大时,对桩更为不利;当m值较小时,对转换梁更为不利;地层加固形式和开挖顺序对隧道的变形有一定影响,本项目格构式加固有效减少隧道隆起且经济性较优;整体模型有限元实体分析的结果与m法计算结果有一定可比性。

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。

土的次非线性对桩基核岛结构三维地震反应的影响

随着核电厂工程建设快速发展,核电厂选址不可避免地要面临土质场地。土-桩-结构动力相互作用对核岛结构的抗震安全性评价具有重要影响。以国内某拟建的AP1000核岛工程为背景,建立土质场地-群桩-筏板基础-核岛结构动力相互作用体系的3D模型,考虑场址的区域地震环境与历史地震活动性,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。使用一步法和二步法分别实现对土体真非线性和主非线性的模拟,通过对比这两种方法计算的核岛结构地震反应的差异,可知土的次非线性(soil secondary nonlinearity,简称SSN)对核岛结构地震反应的定量影响,也即SSN效应。发现SSN效应对核岛结构水平向地震反应的影响明显大于对竖向地震反应的影响,SSN效应会导致土质场地-群桩-核岛结构体系变得更“柔”;SSN效应与基岩输入地震动的特性强相关,近场中-强地震作用时SSN效应最强;SSN会显著增大核岛结构的峰值加速度和峰值相对位移反应,在核岛结构的抗震设计中不应忽视SSN效应。

基于水平地震荷载下桩-土-框架结构动力响应分析

为研究在考虑地基-基础-上部结构相互作用时上部结构的地震响应问题,对桩-土-结构相互作用体系进行了三维有限元数值模拟,利用六弹簧模型简化处理桩基础,等代土弹簧模拟土体约束,结合通用有限元软件SAP2000,建立了水平地震作用下桩-土-框架结构的相互作用分析模型。以某一具体结构为研究对象,分析了上部结构在相互作用条件下的自振周期和水平位移,并与传统方法对比;同时研究了上部结构层数、地下室层数及土体刚度变化对上部结构地震响应的影响。通过比较分析,得出相关的结论,可为工程设计提供参考。

桩-冻土结构的有限元接触分析

根据桩土结构的有限元基本理论,基于ANSYS有限元软件平台,采用三维接触单元建立单桩桩-冻土空间体系的接触模型进行静力分析。提出了模型中关键参数的确定方法,并将模型计算的P-S曲线与试验实测曲线进行比较分析,结果表明曲线吻合较好,证明了模型建立的正确性和参数取值的可行性,为考虑桩-冻土相互作用问题提供一种适合工程应用的分析方法。

土-桩-结构相互作用对大跨度CFST拱桥地震反应的影响

以湖南益阳茅草街大桥为研究对象,采用J.Penzien质量-弹簧体系模拟桩基础与地基,基于ANSYS软件建立了该桥大跨度中承式钢管混凝土(CFST)系杆拱桥的三维有限元模型.以此为基础对茅草街大桥的地震反应进行了空间非线性时程分析,研究了不同地震动输入下土-桩-结构相互作用对该桥地震响应的影响.研究结果表明,土-桩-结构相互作用对大跨度CFST拱桥地震反应的影响易受地震动输入方式等因素的影响,非常复杂,但是当基础刚度得到保证后,采用拱脚固结模式进行抗震分析是可行的.

液化场地群桩–土–结构地震相互作用振动台试验研究

为了研究地震作用下群桩–土–结构的相互作用规律,采用量纲分析方法,设计了群桩–柱墩模型振动台试验,通过输入幅值为0.15g和0.5g的El Cenro地震波,探讨了地基加速度反应、桩–柱墩加速度反应和孔隙水压力反应的规律。试验结果表明:①小震输入下,地基动力变形的线性特征较突出,主要表现为对地震波的动力放大作用,且加速度反应自下而上逐渐增大;大震输入下,地基动力变形表现出明显的非线性,加速度反应规律不单一;②桩–柱墩加速度反应主要集中在低频段,反应规律复杂;③埋深和桩距对地基孔隙水压力变化影响较大,且随埋深减小,孔压减小,孔压比增大,同时随桩距减小,孔压增大,以致在桩周形成一定的孔压梯度。振动台试验能很好地再现天然地震作用的宏观现象,是研究液化场地桩–土–结构动力相互作用反应规律的一种很好的手段。

桩-土-结构动力相互作用的分析模型与方法

针对桩-土-结构动力相互作用问题中桩的分析模型、群桩效率和整个体系的分析方法等问题总结了其发展现状,讨论了今后的发展趋势,并就有待深入研究的问题提出了作者的观点。

动水及桩-土-结构相互作用对跨江大桥稳定性的地震影响分析

为了得到更为符合实际情况的跨江大桥动力稳定性的地震反应分析,在桥梁抗震研究中必须综合考虑动水及桩–土–结构的相互作用。基于此,根据Poisson方程,利用Trefftz函数和微波理论建立求解地震中桥墩表面动水压力的计算方程;由线性化的Morison公式,给出计算地震中动水能量对桩体的波浪推力方程;同时,引入改进的Penzien模型,对桩–土–结构的地震效应进行分析。采用该方法对国内某跨江大桥进行动力反应时程分析,计算结果显示,该方法简单有效,且具有较高的计算精度。

支盘桩–土–高层建筑结构振动台试验的研究

设计和实施支盘桩–土–高层建筑结构动力相互作用体系的振动台试验,再现框架结构和桩基的震害现象。通过振动台试验,研究相互作用体系的地震响应、支盘桩对结构体系的阻抗作用和单、双跨框架结构抗震性能的差异,对该体系的试验现象、基频、阻尼比、振型、位移反应和上部结构顶层加速度反应进行了计算和分析。结果表明:相互作用对结构的动力特性和地震反应均有较大的影响,支盘桩具有较好的抗压、抗拔和抗扭曲作用;相同工况时上海人工波激励下的结构最大位移反应比ElCentro波大,说明结构的破坏除与震级有关外,还与地震波的波形有关;双跨框架结构的抗震性能明显好于单跨,并与汶川地震中很多单跨教学楼倒塌的现象一致。研究结果对抗震设计和防灾减灾具有重要的研究意义。

液化场地桩-土-结构动力相互作用的有限元分析

基于Biot两相饱和多孔介质动力耦合理论,采用有效应力方法对液化场地桩基础的地震反应进行了三维有限元分析。在饱和液化砂土的循环塑性模拟中,采用了超固结边界面、Armstrong-Frederick型非线性运动硬化准则和非关联流动准则来描述动荷载作用下砂土的循环活动性以及液化强度等特性。对于桩的动力本构行为,则采用了可以考虑体积效应和轴向力影响的梁—柱单元来模拟。以某城市高架桥的实际工程为例,应用该方法对地基液化时桩—土—结构的动力相互作用进行了计算分析,并得到了一些有用的结论。

桩-土-结构体系动力相互作用的试验研究

采用挤扩支盘桩-土-结构体系进行振动台模型试验,以了解在地震动激励下该体系的抗震性能以及支盘桩对结构体系的抗拉、抗压及抗扭曲的作用.在试验的基础上,对该体系的基频、阻尼比、振型、最大位移、结构顶层加速度反应以及破坏特征进行了计算和分析.结果表明,相互作用体系对结构动力特性和结构地震反应均有较大的影响,结构的破坏形式与基础形式、土层性质等因素有关,支盘桩对地震的阻抗性能有了初步的显示.

桩-土-结构相互作用对高层建筑顺风向风振响应的影响

推导了高层建筑在脉动风荷载作用下考虑桩-土-结构相互作用时其顺风向风振响应的计算公式,通过算例说明桩-土-结构相互作用对结构顺风向风振响应有明显的影响。一般而言,在结构的风振响应分析中,考虑相互作用并不总是安全的,在土中阻尼较小时,考虑相互作用后,结构弹性位移有可能会大于刚性地基的弹性位移,而结构总响应的幅值总是大于刚性基础时响应的幅值,结构越是高柔,该现象越为明显,考虑了桩-土-结构相互作用后有可能增加结构风振时的不舒适度。因此,在高层建筑的风振响应分析中应当综合考虑桩-土-结构相互作用的影响。

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。

土-桩-结构振动台模型试验相似理论及其实施

通过分析动剪切模量G的表达形式及其相似比推导,发现由于影响土Gmax和G/Gmax-γ的因素较多,要确立土的剪切模量相似比并使土与桩-结构的模量和密度相似比同时匹配非常困难,即难以使土-桩-结构体系模型与原型之间做到完全相似。根据场地土的卓越周期是结构地震反应的主要因素,提出了采用土的卓越周期相似比设计模型土的方法,并实际应用于土-桩-结构振动台模型试验相似设计中。试验结果表明:应用土的卓越周期相似比设计模型土,保留了原场地土的主要特性,使模型与原型部分相似,这种方法应用在土-桩-结构振动台模型试验相似设计中是合理的。

桩-土-结构相互作用对高层建筑风振舒适度的影响

推导了脉动风荷载作用下考虑桩-土-结构相互作用时高层建筑顺风向风振加速度响应的计算公式,通过算例说明桩-土-结构相互作用对结构顺风向风振加速度响应有明显的影响。一般而言,各参数变化对加速度响应的影响的幅度不同,在土中阻尼较小时,考虑相互作用后,结构的加速度响应要比不考虑桩-土-结构相互作用时大,即考虑了桩-土-结构相互作用后有可能增加结构风振时的不舒适度。因此,在高层建筑的风振舒适度设计中应当特别考虑到桩-土-结构相互作用的影响。

桩-土-结构相互作用地震反应分析

从桩-土-结构在地震作用下的受力分析出发,考虑平面应变假设,用有限元法(FEM)建立相互作用系统的模型。文中用地震动反演法处理土层的动力放大现象,用读入刚度单元来处理不同类型单元交界处的连续问题。最后,结合实际工程进行相互作用体系的地震反应计算,得出了一些有用的结论。

桩-土-承台结构在波浪力作用下的力学效应分析

在港口桥梁工程和海洋工程中,一般将桩从桩-土-承台结构中分离出来,单独计算波浪力对桩的作用。在提出波浪力作用下桩-土-承台结构相互作用模型的基础上,结合工程算例,进行了桩-土-承台结构在波浪力作用下桩的荷载和弯矩计算分析,结果表明:在不考虑波浪力的情况下,计算结果跟规范方法较为接近,验证了桩-土相互作用模型的适用性。在此基础上迭加波浪力,将波浪力和桩-土-承台作为一个完整的系统研究,随着承台所受外力、波浪力、桩侧地基土的变化,分析了桩-土-承台结构在波浪力作用下的受力效应。