近场地震下考虑桩-土-框架结构相互作用的拟动力试验

考虑桩-土-结构相互作用,建立整个结构体系模型,在土槽实验室模拟框架结构在近场地震作用下的反应。由于下部结构的不可控性和土体的不确定性,提出采用反演分析识别下部结构的动力反应。试验中通过传感器有效的获取下部结构状态信息,确定桩-土工作状态,运用子结构的概念完成整个结构体系的拟动力试验。利用实验室大型土槽,设计一个以钢管桩为基础的8层框架结构,探讨脉冲型地震和常规地震下作用下钢筋混凝土框架结构的反应。通过对比结构的破坏形态、底层的位移时程曲线和滞回曲线得到:脉冲型地震作用下,结构的反应远远大于常规地震下的反应;高强度的速度脉冲将引起结构产生更大的残余变形,同时结构有更高的位移需求。分离出基础引起的结构变形,基础的转角将大大增加结构的顶点位移,并且近场地震放大作用更加明显。

桩-土相互作用弹簧对倾斜液化场地-群桩-上部结构体系的影响

桩-土-上部结构体系的动力相互作用是一个复杂的过程,尤其是在倾斜液化侧向扩展流动(侧扩流)场地中,由于地震过程中场地产生地面永久大变形,桩土间有可能产生错动滑移与开裂等非线性反应,因此桩-土相互作用模拟至关重要。为了探究桩-土非线性接触对倾斜液化场地-群桩基础-上部结构体系动力响应的影响,本文基于OpenSees分别建立了考虑桩-土相互作用弹簧和桩土结点之间直接绑定的有限元数值模型。结果表明:考虑桩-土相互作用Pyliq弹簧时,土体加速度幅值略微降低,桩基对土体的约束明显变弱,土体残余位移增大。同时,具有Pyliq弹簧的模型能较好地模拟桩的曲率响应,而采用桩土结点直接绑定的模型高估了桩顶曲率,进而无法准确估计桩基抗弯最不利位置。桩-土相互作用弹簧对上部结构动力响应的影响较小。

斜入射地震波下单层球面网壳土-结构相互作用及其地震响应分析

为分析斜入射地震波下单层球面网壳土-结构相互作用及其地震响应,采用等效节点力实现地震波输入,通过黏弹性人工边界处理无穷远辐射条件,分析了地震波类型、土体参数、入射角度等因素对单层球面网壳结构的土-结构相互作用及其地震响应影响。结果表明:单层球面网壳结构在地震波入射一侧出现翘起,网壳总体沿入射方向发生旋转,当P波斜入射时支座位移差最大达0.514 m,为网壳跨度的1/250。当P波斜入射时,软弱土情况下网壳顶点位移比中硬土和中软土大,顶点位移随入射角增大呈现先增大后减小的趋势;当SV波入射时,中软土情况下网壳顶点位移比中硬土和软弱土大,顶点位移随入射角增大而增大。斜入射地震波下,考虑土-结构相互作用后网壳顶点位移增幅最大达5.5倍,网壳外圈位移增幅大于网壳跨中增幅。

隧道-土-桥桩相互作用体系振动台试验与数值模拟研究

以大连实际工程为背景,通过振动台试验研究了双隧道-砂土-桥桩系统在地震作用下的动力相互作用(SSSI),得到结构、场地的动力响应规律,并与ABAQUS数值模拟结果进行对比。数值模型引入Kelvin本构模型子程序,利用等效线性方法处理砂土在计算过程中的非线性问题。将试验结果与数值模拟结果进行对比,验证了数值模拟的可靠性。在此基础上设计了8种工况,通过对比分析研究了体系内各结构之间的相互作用规律。结果表明,隧道会放大桥桩、临近隧道的峰值加速度,而桥桩却会对侧穿隧道的峰值加速度起到减弱作用;隧道与桥桩的存在均会增大彼此的截面剪力与弯矩,其中受影响的区域主要集中在隧道上下拱,桥桩的桩底与桩-土交界面。

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-结构相互作用的大跨度空间结构抗震研究进展

考虑土-结构相互作用(SSI)的大跨度空间结构抗震研究对于实现大跨度空间结构精确化分析,保障结构抗震安全性具有重要意义。为了更好地应用已有大跨空间结构考虑土-结构相互作用的研究成果,分别对土-结构相互作用研究分析方法、框架结构SSI效应影响分析、地下-土-地上结构相互作用研究现状、大跨度空间结构与下部支承体系协同工作及考虑SSI对大跨度空间结构动力性能的影响等方面的研究成果进行了梳理。结果表明:已有土-结构相互作用分析方法及计算模型对于大跨度空间结构的适用性有待商榷;框架结构SSI效应和大跨度空间结构与下部支承体系协同工作的研究相对成熟,其成果可供借鉴;带有大型复杂地下结构的大跨空间结构SSI效应显著;现有研究多以数值模拟为主,试验技术的发展对大跨空间结构土-结构相互作用抗震理论的验证至关重要;未来需要进一步研究实用的简化计算模型及分析方法、地下结构-土-大跨度空间结构体系、强震失效倒塌机理及减隔震研究、试验研究、参数分析、复杂效应耦合等。

大比例模型的桩基-土-框架结构相互作用有限元分析

以大比例模型为基础，以大量试验实测数据为依据，利用通用有限元程序MARC对桩-土-上部结构相互作用体系进行了三维有限元计算分析。计算中土体选用线性Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，钢筋混凝土采用随动双线性硬化本构模型，计算得到相互作用体系的基频及牵引释放时程曲线与试验结果吻合较好，表明所采用的计算模型和计算方法是合理可行的。从计算分析的角度探讨了考虑结构-地基动力相互作用时体系地震反应的有关规律，主要从体系的加速度、桩身等效应力、桩土接触压力及摩擦力等方面进行了分析，为结构-地基相互作用的进一步研究提供了依据。

考虑不同桩-土相互作用模型的海上升压站抗震性能分析

由于海上升压站上部平台设有许多大质量专业设备,使其呈现“头重脚轻”的特征,直接借鉴传统海洋平台的设计方法难以准确评价海上升压站结构的承载能力与变形能力,其中桩-土相互作用对于地震作用下的结构动力响应分析的影响尤为显著。以国内某位于地震高烈度区的海上升压站为对象,分别基于等效线性桩长法、API规范p-y曲线法、修正p-y曲线法建立3种不同考虑桩-土相互作用的计算模型,对比中震作用下结构的抗震性能。结果表明,基于3种模型校核该海上升压站结构均符合抗震设防要求;海上升压站结构受竖向地震作用影响较明显;在砂土层占比较高的地基条件下,使用修正p-y曲线方法可以更合理地模拟桩-土相互作用。

考虑土-结相互作用的大型结构高效地震分析方法

在对大型工程结构进行地震反应分析时土-结构相互作用通常不可忽略,然而,结构本身巨大的体量及考虑土-结构相互作用后引入的大范围土域模型导致计算规模通常十分庞大,由此引起的计算效率低下问题已成为制约此类结构性能分析的关键因素。该文提出一种新型土-结相互作用分析方法,并基于此实现了大型结构考虑土-结构相互作用的高效地震反应分析,建立不同接触状态下的单元法向和剪切相对位移分解方法;采用三维无厚度Goodman接触面单元格式对土与结构的接触行为进行描述,并通过插值方法对单元非线性变形进行描述,推导出隔离非线性的接触面单元控制方程;在此基础上,建立了大型工程结构考虑土-结构相互作用的整体式计算模型和高效地震反应分析方法。由于该文方法在每次迭代求解过程采用Woodbury公式计算结构响应,其仅需对一个规模极小的局部非线性矩阵进行迭代更新,避免了传统方法所需的结构大规模整体刚度矩阵实时更新分解,因而能够大幅度提高结构地震反应分析效率,数值算例验证了该文方法的有效性及高效性。

土-承台动力相互作用对砂土场地桩基桥梁地震反应的影响

在桩基桥梁的地震反应分析中,桩-土动力相互作用是个重要的问题,而对于采用低桩承台基础的桥梁,承台埋在土面以下,还存在土与承台之间的动力相互作用。目前,地震反应分析中一般不考虑土-承台动力相互作用的影响,相关研究也很少。为此,利用OpenSees有限元分析程序,基于p-y曲线建立了土-结构一体化桩基单墩模型,选择40条实际岩石场地地震记录作为输入,开展了考虑土-承台动力相互作用的桩基桥梁地震反应分析。结果表明,考虑土-承台动力相互作用后,结构的基本周期会减小,墩底曲率会明显增大,桩顶曲率会大幅减小,但墩顶位移的减小可以忽略。

土-桩-框架结构动力相互作用非线性有限元模拟

目的用有限元方法研究土-桩-框架结构动力相互作用动力反应效应.方法以AN-SYS程序为工具和平台,选用符合实际工作机理的Davidenkov地基模型并定义其参数,利用ANSYS的重启动分析方法、采用APDL参数设计语言编制程序来实现对土体材料的非线性及动力本构模型的模拟;同时利用ANSYS中Combin14单元模拟黏弹性边界,以此建立人工边界来模拟辐射阻尼效应;并提出集成阻尼矩阵的方法,解决结构和地基土阻尼不同而导致的阻尼耦合的问题.结果通过算例对土-桩-框架结构进行ANSYS分析,考虑土的非线性、接触边界非线性以及阻尼的耦合问题,研究了不同性质地基土的非线性以及不同上部结构对整个体系动力特性的影响,并与已有实验研究结果进行对比分析.结论结果表明提出的有限元方法能很好的模拟整个相互作用体系的非线性效应,为工程实践与设计提供重要的理论依据.

土-桩-框架结构非线性相互作用的精细数值模型及其验证

利用有限元软件ABAQUS,建立了土-桩-框架结构非线性相互作用(SSI)的二维精细有限元模型,分别采用记忆型粘塑性嵌套面模型和损伤塑性模型模拟土体和混凝土材料,采用梁单元和rebar单元模拟RC桩基及其内部纵筋,采用接触面对法模拟桩土接触效应,取得了良好的计算效果。将自由场、框架、土-桩-框架结构模型的分析结果和其它成熟的计算软件进行对比,验证了数值模型的有效性。分析发现:桩基外侧靠近承台处的土体的非线性反应很强烈,而桩基内部土体的非线性反应较小,很大程度上只是跟随群桩一起运动。由于桩土动力接触,桩顶的加速度反应可能超出上部结构,并且桩顶的加速度时程曲线上有非常明显的"针"状突变。随着地震动强度的增加,上部框架逐渐表现出单自由度体系的动力特征,加速度反应谱有从多个波峰退化为单一波峰的趋势。

考虑土-结构相互作用的大型商业综合体建筑结构地铁振动响应研究

大型商业综合体建筑结构的平面与竖向通常不规则,并且往往与地铁线路的距离较近,导致其在地铁振动作用下的响应相对复杂。基于天津市在建地铁四号线及其附近某商业综合体的实际工程项目,采用Abaqus建立了土体-地铁-大型商业综合体建筑结构的有限元模型,研究了土-结构相互作用、非一致激励以及不同楼面活荷载对上部结构振动响应的影响规律。结果表明,不考虑土-结构相互作用将显著高估地铁振动对上部结构振动响应的影响;分析时采用一致振动激励将忽视结构平面范围不同区域内竖向振动响应的差异,并显著高估部分位置处的竖向振动响应;此外,人群、商品、设备等附加楼面活荷载可以起到降低地铁振动作用下上部结构振动响应的作用。研究结论有助于准确评估地铁振动对环境的影响。

考虑土-储罐-液体相互作用的隔震储罐简化力学模型及地震响应研究

为了寻求一种既能减震又能降低成本的储罐结构,提出一种隔震储罐结构体系,根据力的平衡原则推导了滚动隔震装置恢复力模型,得出了复合滚动隔震装置的恢复力模型。基于三质点模型和场地土模型,提出了考虑土-储罐-液体相互作用(STLI)的隔震储罐的简化力学模型和运动方程,并研究了考虑STLI效应和不考虑STLI效应时抗震储罐和隔震储罐在不同场地的地震响应。结果表明:隔震储罐能够有效地降低其基底剪力及倾覆弯矩,但对晃动波高的控制有限,建议在高烈度区,满足晃动波高的前提下,隔震储罐在设计时可以降低烈度。考虑STLI效应后,抗震储罐的基底剪力和倾覆弯矩明显降低,且从Ⅰ类场地到Ⅳ类场地差异率逐渐增大,软土场地降低最为显著。隔震储罐地震响应受STLI效应的影响较小,可以有效地隔断上部结构与场地土之间的耦联,弱化STLI效应对上部结构的影响。

土-筏基钢框架结构动力相互作用试验研究

为了解土-结构动力相互作用,分别在土槽和刚性地基上进行大比例筏板基础-钢框架顶层低频激振,通过改变上部结构刚度而进行了4个工况的试验对比,对采集的信号进行频谱分析和时域分析,得到不同工况下刚框架频率和动力反应,发现土体对结构频率与动力反应的关系呈现出一定的规律,这种规律主要是由上部结构的刚度变化引起的.土槽中的结构比刚性地基结构自振频率有所折减,随着上部结构刚度的增加土槽中的结构自振频率折减增多,试验最大值可达21.63%.结构各层柱的最大剪力、各楼层加速度峰值及位移峰值有明显的变化规律,加速度折减可达30%以上.

土-箱基-框架结构动力相互作用大比例模型野外试验研究

通过野外大比例(1∶2)结构模型动力试验,研究了土与箱基及框架结构动力相互作用。分别用脉动和牵引释放法测试了试验模型的自振频率及阻尼比,通过三维有限元计算理论值与现场实测值的对比发现,考虑土-结构动力相互作用(SSI)时模型自振频率比不考虑SSI作用时模型第一阶自振频率最大降低8.5%。从牵引释放试验中基础测点和地面测点速度频谱对比可以发现,地面测点振动以纵向运动为主,并且与土体特征频率接近的高频分量得到加强。由近场地面爆破振动试验可知,对于高柔框架结构,其顶部速度反应主要是由基础转动引起的摇摆分量组成,上部结构弹性变形次之,基础平动分量最小。试验为进一步研究具有埋置基础的土-结构动力相互作用提供了计算实例和丰富的试验对比数据。

考虑土体强度参数随机场的横向加载管-土相互作用分析

输水管道受滑坡、地震、断层活动等影响将产生横向运动,埋地管道的管-土相互作用问题可归结于管-土接触界面的接触压力研究。基于Abaqus有限元模拟及其二次开发功能,通过土体强度参数随机场模拟土体非均质性,研究受横向荷载的埋地管道与土体之间相互作用,并对3种变异系数工况进行模拟;将模拟结果与均质土条件的确定性结果进行对比,对随机分析模拟结果进行参数分析及概率研究。研究表明:所提方法可以较好地模拟横向荷载条件下管-土相互作用;土体抗剪强度空间变异条件下的管-土结构承载力小于确定性分析结果,土体非均质性对横向荷载作用下浅埋管道破坏机制的影响表现为土体破坏沿强度薄弱的区域发展;土体不排水抗剪强度随机参数水平相关距离对管-土结构承载力影响显著;管道达预设位移时管-土结构承载力服从对数正态分布;考虑工程容许荷载设计,随着安全系数的增大,管-土结构失效概率显著减小,当安全系数取2.5时失效概率小于1%,达到工程可靠水平。

荷载作用下砂土边坡-管道相互作用试验研究

随着我国西气东输、南水北调等重大工程的快速推进,埋地管道不可避免地会穿越高陡山区,并受到区域地形地貌的影响,而关于边坡-管道相互作用机制的认识还相对滞后,相关研究亟需加强。基于分布式光纤应变传感(distributed strain sensing,简称DSS)、粒子图像测速(particle image velocimetry,简称PIV)技术,开展加载工况下砂土边坡-管道相互作用的室内模型试验,探究了临坡地基极限承载力的影响因素,并研究了不同坡角下边坡土体变形破坏机制及埋地管道的结构响应特征。研究结果表明:(1)临坡地基经历了弹性压密、局部剪切和整体破坏3个阶段,并呈现不对称楔形破坏模式;(2)临坡地基极限承载力随着坡角的增大呈减小趋势,同一坡角下埋地管道的存在会降低临坡地基极限承载力;(3)管道对边坡滑裂面形成路径的影响程度随着坡角的增大而变大;(4)在荷载作用下埋地管道横截面环向应变呈“椭圆化”分布,据此提出了管周界面土抗力的简化计算模型与椭圆度计算式。相关结论对边坡-管道系统的变形控制与结构设计有一定的参考和借鉴意义。

考虑土-独立基础-结构相互作用的钢筋混凝土框架结构抗震性能研究

现有钢筋混凝土(RC)框架结构抗震性能分析大多采用刚性地基假定,未考虑土-结构相互作用的影响,而在实际地震中部分结构出现了"强梁弱柱"的失效情况,与以刚性地基假定分析的预期结果不一致。本文对某6层办公楼的一榀框架进行Pushover分析,探究了结构在刚性地基假定和考虑土-结构相互作用两种情况下的固有频率、顶点位移和塑性铰的产生和发展过程。结果表明,考虑土-结构相互作用后,RC框架结构自振周期变长,频率降低,结构顶点位移增大,结构底层柱铰增多;有效地再现了忽视土-结构相互作用而设计的框架结构在实际地震中出现"强梁弱柱"的情形,验证了在对结构进行Pushover分析时,考虑土-结构相互作用的必要性;并将动力时程分析与Pushover分析的结果进行对比,验证了Pushover分析的可行性和可信性。