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。

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。

桩-土-结构动力相互作用影响因素分析

为了研究桩-土-结构动力相互作用机理,分析其影响因素,采用振动台试验和数值模拟分析相结合的方法,对不同上部结构质量、不同输入波频率和加速度峰值输入下的桩-土-结构体系的水平动力反应规律进行了分析和讨论。试验地基土体模型为中硬土,剪切波速约为213 m/s;群桩基础由5根长1.35 m、直径0.1 m的基桩“十”字型布置;上部结构模型采用质量块模拟。研究结果表明:桩身的弯矩与剪力在桩-承台连接处最大,并且随深度增加而减小;随着上部结构质量的增加,土体与桩基的加速度反应增大,桩身的弯矩与剪力也增大;随着输入正弦波幅值和频率的增大,桩-土运动相互作用变大,桩身弯矩与剪力变大;最后比较各种影响因素引起的反应发现,上部结构质量的变化对桩-土-结构体系动力相互作用的影响最大,幅值的影响次之,频率的影响最小。

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。

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。

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。

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。

考虑土-结构相互作用永祚寺文峰塔地震响应分析

为研究土-结构相互作用对古塔地震响应的影响,借助ABAQUS有限元软件通过对地基土施加黏弹性边界,建立了不考虑土-结构相互作用(soil-structure interaction, SSI)效应、SSI效应下不考虑基础与地基土分离滑移与SSI效应下考虑分离滑移三种模型,通过时程分析法对比分析了SSI效应对山西省永祚寺文峰塔动力特性与破坏形态及损伤的影响。结果表明:考虑SSI效应后古塔高阶自振频率显著降低,其水平位移与层间位移角将总体增大,水平加速度放大系数呈下降趋势,塔下层损伤明显加剧且上层损伤有所降低,基础损伤明显;在设防地震作用下基础与地基土分离滑移现象加剧,有将沿中和轴破坏的风险,底层塔檐为薄弱部分,且基础的损伤不容忽视。分析结果对于预测高层密檐塔损伤破坏具有参考作用。

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。

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。

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。

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-土相互作用的深厚软土桩侧极限抗力分析

为正确描述深厚软土层中桩-土相互作用,求解桩侧极限抗力,采用有限差分法对软土中不同桩径、不同深度的桩-土相互作用进行研究,基于Soft-Soil本构模型对桩周土体的受力变形、桩侧极限土抗力进行探讨分析,并对软土模量、强度参数以及p-y曲线等经验公式在深厚软土层中的应用进行了修正优化。研究表明:1)桩体承受的横向荷载水平对桩周土抗力分布影响大,在横向荷载作用下桩周土抗力呈椭圆分布;2)修正后的公式能够较好地描述软土层中桩-土相互作用关系;3)当软土地层较深(大于25 m)时,数值计算结果与修正后的公式计算结果较吻合。本文成果可为深厚软土层中的桩基设计提供参考。

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。

平面SV波入射下地上建筑群-地铁隧道群动力相互作用研究

该研究采用一种高精度间接边界元方法(indirect boundary element method, IBEM),研究了平面SV波入射下地上建筑群-地铁隧道群的动力相互作用问题。研究表明:“建筑群-隧道群”系统存在显著的动力相互作用,其规律与入射波性质、建筑物和隧道数量排布等因素密切相关。通过对比不同建筑物数量对隧道动力响应的影响,能够发现:低频波作用下,建筑物对下穿隧道的动力响应有放大作用,而高频波作用下则会削弱隧道的动力响应,最多可以降低37.5%左右。从频域分析中可以看出:隧道对地震波有较强的屏蔽作用,从而降低了其上建筑群的地震响应。建筑群的存在降低了各个单体建筑的动力响应,但在高频波作用时位于建筑群来波一侧的建筑会产生较大的动力响应。该研究成果可为城市建筑群-地铁隧道群的动力相互作用分析以及地上建筑和地铁隧道的抗震设计提供理论依据。

土-结构动力相互作用振动台试验时间相似比问题讨论

土-结构动力相互作用振动台试验中,由于结构和土材料性质的不同,无法给出统一的试验相似关系,模型试验结果无法定量地反演到原型,一般只能近似地反映原型结构的动力反应特征。在土-结构振动台试验中,为了将试验结果定性地反映原型地震反应特征,需要考虑土-结构体系的特征尺寸和土体中地震动波长的相对大小,换言之,要考虑输入地震动时程的时间压缩比,文中根据振动台不同土体模型试验结果,依据现有的振动台相似关系,讨论了时间相似比问题。通过凹陷地形的振动台试验和地下结构试验模型的数值分析,验证了文中给出的时间相似比可以定性地反映地震动传播过程中土-结构动力相互作用特征。

分层土-隧道相互作用体系地震响应分析

为研究地震作用下非均质场地各个土层放大效应以及分层土-隧道的地震响应,以大连某实际工程为背景,基于地震作用下隧道结构动力响应的理论,采用收敛约束法,通过ABAQUS构建分层土-隧道三维有限元模型,并结合振动台试验,验证模拟的准确性;将自由场与有隧道场地进行对比,并结合加速度和傅里叶曲线对模拟数据进行分析。结果表明:(1)土体性质和激励大小对地震波的传递有影响,随着场地由浅到深逐渐增加,峰值加速度逐渐放大,不同分层介质的主要频率和频谱形状发生明显变化;(2)隧道会放大远场的加速度响应,略微降低近场的动力响应;(3)软弱夹层的存在对地震动的放大作用也有明显影响,不同分层介质的不同特性导致土层刚度不同,从而影响地震作用下层状土-隧道的动力相互作用。

基于温度变形效应的整体式桥台-H型钢桩-土相互作用拟静力试验研究

由于环境温度使主梁发生胀缩变形,导致整体桥桥台水平往复运动及桥台-土、桩基-土的相互作用。本文以某整体桥为工程背景,开展基于昼夜温度、季节性温度变形效应的整体式桥台-H型钢桩-土体系的低周往复位移荷载拟静力试验,分析试件的滞回性能、骨架曲线、桥台转角等变化规律。试验结果表明:试件全年滞回曲线可视为季节性温度作用、昼夜温度作用的滞回曲线叠加。从季节性温度作用来看,受春夏季升温影响,MTS水平力先快速增大,随后持续升温,水平力增速放缓;受夏秋季、秋冬季连续降温的影响,水平力先急剧减小,而随后持续降温,水平力降低减缓;受冬春季升温影响,水平力先急剧增加后增速放缓,其增速与第一次春夏季升温时相似,但由于台后土发生累积效应,产生的水平力更大。从昼夜温度作用来看,当环境温度较高时(夏季),夜晚降温对体系相互作用的影响大于白天升温时的影响;当环境温度较低时(冬季),白天升温对体系相互作用的影响大于夜晚降温时的影响。从骨架曲线来看,受中长期环境温度影响,整体式桥台-桩-土体系相互作用中存在由非线性向线性不断转化的过程。在加载初期,桥台转角与加载位移变化规律基本一致,随着环境温度变化,两者逐渐偏离,特别是在次年的第一季度,两者已产生较为明显的正方向偏移。