考虑水-结构-土相互作用的桥墩自振频率半解析解

建立考虑水-结构-土相互作用的桥墩结构自振频率半解析解,并通过实测数据进行验证。以单个桥墩为研究对象,将“桥墩-承台-桩基”结构体系简化为Bernoulli-Euler梁,采用附加质量模型模拟水-结构相互作用,采用弹性Winkler地基模型模拟桩-土相互作用,建立考虑水-结构-土相互作用的桥墩结构振动控制方程。使用分离变量法得到结构振型函数,根据边界条件建立矩阵方程,通过求解方程的特征值得到结构自振频率。以福州浦上大桥E11桥墩为例,将海底地震仪(ocean bottom seismometer,OBS)核心地震计安装在承台处,采集桥墩的振动响应并提取结构自振频率。同步安装陆地地震仪验证OBS水下监测的有效性,通过对比半解析解、有限元解和实测值验证桥墩结构半解析解的合理性。在此基础上,分析土-结构相互作用、水-结构相互作用对结构自振频率的影响。结果表明,OBS能够满足桥墩自振频率水下测试的环境要求;建立的考虑水-结构-土相互作用的桥墩结构自振频率半解析解合理;土-结构、水-结构相互作用会降低结构的一阶自振频率,其中土-结构相互作用的影响比水-结构相互作用更显著。

考虑桩-土相互作用的深水桥墩地震响应分析

深水桥梁往往为桩基础形式,其地震作用下桩-土相互作用效应显著,掌握桩-土相互作用对深水桥墩地震响应的影响,有助于指导深水桥梁结构的抗震设计。该文通过附加质量方法考虑动水压力作用,采用精细化模型模拟桩-土相互作用,引入动力松弛技术完成初始地应力平衡,建立了考虑桩-土相互作用的深水桥墩地震响应数值模拟方法,并通过离心机振动台试验验证了其正确性。利用已验证的数值模拟方法分析了不同地震强度和不同场地土体强度对深水桥墩地震响应的影响,结果表明:随着场地土体强度提高,桥墩的地震位移响应减小,水体的存在不会改变此规律;软弱土场地的动水压力对桥墩和桩基的地震响应影响较小,最大影响程度在10%左右;中硬土场地的动水压力明显增大桥墩和桩基的地震响应,且地震强度越大,增大效应越明显,因此强震作用下处于硬土场地的动水压力作用在桥梁结构抗震设计中必须予以考虑。

考虑桩-土相互作用的超大型单桩式海上风机结构地震响应

为了解决桩-土相互作用对超大型单桩式海上风机结构地震响应影响的问题,基于IEA 15 MW的固定式单桩海上风机原型,使用Abaqus建立考虑桩-土相互作用与泥面固定2种风机结构模型,桩-土相互作用通过一组非线性弹簧模拟。考虑风-波浪与地震联合作用,分析桩-土相互作用对超大型固定式单桩海上风机结构动力响应的影响。结果表明:针对超大型海上风机,桩-土相互作用效应使风机支撑结构的特征频率降低3%~6%;考虑桩-土相互作用的大兆瓦风机动力响应远大于泥面固定风机模型的动力响应;海上风机尺寸越大,桩-土相互作用引起的海上风机结构动力响应偏差越显著。

基于扰动状态概念水泥土桩-土界面强度演化规律研究

通过设计并制作不同养护龄期(7、14、28、35及60 d)的水泥土桩-土单元体试样,开展水泥土桩-土界面的力学性能试验,测得了各龄期下水泥土桩-土界面的剪应力-剪切位移全过程曲线,并以此建立了水泥土桩-土界面峰值抗剪强度及残余抗剪强度随龄期变化的双曲线型演化模型.同时,开展了与单元体试样同龄期的水泥土桩体材料的单轴和三轴压缩试验以及土体的三轴压缩试验,得到了水泥土桩体的单轴抗压强度和抗剪强度指标(即黏聚力c和内摩擦角φ)随养护龄期的演化规律和演化模型,且试验结果表明水泥土桩-土界面抗剪强度与水泥土桩体单轴抗压强度之间呈线性关系.最后,引入扰动状态概念理论,基于试验结果建立了水泥土桩-土界面的剪应力-剪切位移关系随试样养护龄期的演化模型,该模型计算结果与实测值吻合良好,可为水泥土类桩的荷载传递规律的理论分析和数值模拟提供可靠的计算模型.

地震作用下桩-土-核电结构相互作用的异步分析方法

为拓展核电厂的选址范围,有必要对非基岩场地桩基情形的核电结构进行地震安全性评估。在目前的桩-土-结构相互作用分析方法中,Winkler地基梁模型以及p-y法都将桩-土-结构相互作用问题进行了简化,难以反映复杂地基情形。整体有限元法可考虑复杂地基情形,但计算量较大,效率较低。本文基于高效的三维时域土-结构相互作用分区分析(Partitioned Analysis of Soil-Structure Interaction,PASSI)方法,实现桩基与土体分别采用不同时间步距的计算方法,避免土体采用桩基相对较小的时间步距而增加不必要的计算量。本文以AP1000核岛结构作为研究对象,建立了桩-土-核电结构相互作用的三维有限元模型并对其进行分析。通过输入脉冲波验证了该异步算法的有效性,并结合运动相互作用和惯性相互作用,分析了桩身最大剪力和最大弯矩的特点。分析了桩-土-核电结构在地震波输入下的响应。由于桩的自由度数相对于土体的自由度数可以忽略不计,采用桩-土异步算法时,桩附加的计算量可以忽略,这种高效方法有望用于大型核电结构的桩-土-结构动力相互作用分析中。

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。

水平地震下土-桩-结构相互作用简化分析方法

基于Penzien提出的集中质量法 ,将上部结构和桩基离散为剪切型质点串 ,以弹簧和阻尼器模拟周围土体 ,建立土 -桩 -结构动力相互作用的分析模型 ,给出相互作用参数的确定方法 ,并考虑土体的动力非线性和材料阻尼特性 ,通过等价线性迭代逼近土体的非线性动态响应 .运用此模型对某 180m混凝土烟囱按桩基础和刚性基础两种方案进行自振特性和地震时程反应对比分析 ,得到两种基础形式结构的位移、剪力、弯矩的分布形式基本一致 ,但考虑桩 -土 -上部结构相互作用的桩基础使结构体系的周期延长 ,变形增大 ,剪力和弯矩相应减小 .桩 -土 -上部结构相互作用增加了结构的柔性 。

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。

SH波作用下桩-液化土-结构体系的水平振动特性

将桩等效为Timoshenko梁,上部结构等效为单自由度弹簧质量块,基于桩-土相互作用的Winkler模型,研究了在垂直入射简谐SH波作用下桩-液化土-上部结构耦合体系的水平振动特性。考虑土体的自由场位移、上部结构的平动和转动惯性以及和桩轴向压力的二阶效应,建立了单桩-液化土-上部结构耦合体系的边值问题,得到桩变形和上部结构运动的解析解。数值分析了几何和物理等参数对桩头和上部结构位移放大因子和动力放大因子的影响,结果表明:单桩-液化土-上部结构体系存在明显的共振现象,且土体自由场位移对桩头和上部结构的位移放大因子影响显著;随着上部结构刚度的增加,桩-液化土-上部结构体系的基频增大,位移放大因子峰值减小;随着土体液化的发展,单桩-液化土-上部结构系统基频和动力放大因子逐渐减小。

成层液化土中单桩-土-结构系统的水平振动分析

根据地震场地液化特征,将土层分为上部液化土层与下部非液化土层,并基于桩-土相互作用的Winkler模型,将桩等效为Rayleigh梁.建立了考虑上部结构的质量、转动惯量、桩身转动惯量和轴力效应的单桩-土-结构系统的控制方程和边界条件,在频率域给出了问题的解析封闭解.通过与相关实验结果的比较,验证模型和解析解的合理性和有效性,分析几何、物理参数等对单桩-土-结构系统位移放大因子、动力放大因子的影响.研究结果表明:桩身轴力使系统的基频更加趋向地震的主频;土壤的液化使得上部结构动力响应更加剧烈,随着土体液化程度的发展,桩的临界载荷将减小,最终导致桩发生失稳破坏.

考虑水-桩-土相互作用的单桩式海上风机结构系统自振频率解析解

海上风机结构系统频率是海上风机结构和基础设计考虑的关键因素之一,桩-土相互作用对海上风机结构系统频率影响显著。基于欧拉-伯努利梁理论和传递矩阵方法,考虑水-桩-土相互作用及塔筒变截面特性,建立单桩式海上风机结构系统横向振动自振频率特征方程;将桩-水相互作用等效为附加质量、桩-土相互作用等效为线性弹簧,变截面塔筒等效为多段均匀梁,利用MATLAB中fsolve函数求解固有频率。通过与有限元分析结果进行对比,验证本文方法精度与有效性,并将本文方法应用于实际工程中,研究桩基础埋深、上部质量、转动惯量和桩-水相互作用对单桩式海上风机结构系统自振频率的影响。

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。

复杂地基条件下核电厂取水构筑物-桩-土结构动力相互作用分析

核电厂取水构筑物是核电工程的重要组成结构,斜坡地基及复杂非均质的厂址条件对其影响难以忽略。以某核电厂桩基加固的取水构筑物为例,基于有限元软件ANSYS及其二次开发特点建立了三维桩-土-取水构筑物动力相互作用模型,进而通过对该模型开展静动力联合分析,探讨了桩基内力、构筑物主应力分布规律,以及不同桩基条件下变形、应力及部分构件内力的变化,并基于GeoStudio软件对地基整体稳定性进行分析,给出了取水构筑物结构的安全储备及部分薄弱处的加固方案。研究成果可为类似桩基加固结构在倾斜基岩及软土覆盖区域大的厂址条件下抗震安全分析提供参考。

不同温湿路径下压实黏土的土-水和动力响应特性

以黑龙江黏土为研究对象,按照3种不同的路径(干湿—冻融路径、冻融—干湿路径、交叉的干湿冻融路径)施加了温湿作用,对比分析了不同温湿路径下压实黏土的微观结构、土-水特性、累积塑性应变(ε_(p))和回弹模量(MR)的演化规律。结果表明:①温湿作用后土体内宏观孔隙发育,微观孔隙收缩,持水能力降低,脱湿速率增大。多次温湿作用后,经不同温湿路径的试样具有相似的微观孔隙结构及土-水特性;②ε_(p)和M_(R)在高含水率下对湿度变化(包括含水率w和吸力s)更敏感。冻融循环后,ε_(p)对湿度的敏感性显著增加,MR对湿度的敏感性显著降低;③温湿作用后土体的M_(R-s)关系呈现非线性特征,M_(R-w)关系呈现线性特征。长期温湿作用后,不同温湿路径对ε_(p)和MR的影响差异较小;④基于非饱和土力学原理建立模型,较好地预测了不同温湿路径下MR随湿度的变化规律。

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.

土-桩-结构相互作用体系的振动台模型试验

通过土 -桩 -结构体系的振动台模型试验 ,探讨了土 -结构相互作用对结构动力特性和结构地震反应的影响 .试验结果表明 ,土 -结构相互作用使结构体系的自振频率降低 ,使体系的阻尼大大增加 .土

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。

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.