建筑桩基的有效应力地震反应分析：I—计算方法

根据地震作用、上部结构、桩基的特点,建立了建筑桩基地震反应的计算模型,考虑了桩－土－上部结构的动力相互作用。然后奖饱和土体现为由固、液二相组成的两相介质,基于Ｂｉｏｔ动力固结方程,提出一种建筑桩基地震反应的有效应力动力分析方法,并给出了具有计算步骤。     

地震作用下复合地基-筏板-上部结构相互作用体系的动力弹塑性分析

基于复合地基-上部结构相互作用的静力分析已取得一定的研究成果,但其在动力荷载作用下,特别是地震作用下的动力响应却相当匮乏。首先借助有关试验通过ABAQUS和EERA的模拟分析,验证了基于Drucker-Prager屈服准则的弹塑性模型能较好地反映土体非线性动力特性以及采用有限元与无限元耦合的方法对土体无限边界的模拟。在此基础上,针对实际问题建立了刚性桩复合地基-筏板-上部结构体系整体有限元模型,对其进行动力弹塑性时程分析,并讨论了该复合地基与桩基对地震响应的差异。深入研究了不同强度地震作用下,刚性桩复合地基的工作机制,包括桩体、褥垫层、筏板的动力响应以及上部结构的地震反应和抗震性能。结果表明,小震时褥垫层基本没有减震效果,大震时复合地基的抗震性能优于桩基。地震越强烈,减震效果越明显,但作用有限,减震系数一般在0.8以上,可为工程实践提供参考。     

饱和土场地-桩基-地上结构体系的地震响应研究

饱和土场地-桩基-地上结构体系中,饱和土与结构分别具有不同控制方程和计算方法,造成有限元计算的不便。基于Client-Server技术,通过两个子程序分别计算饱和土和桩基-上部结构的动力响应,并利用土体和结构的共同节点传递两者间的作用力与位移,建立了一套求解饱和土-结构相互作用问题的交互式计算方法,其中饱和土采用基于u-p（其中u表示固相位移,p表示孔压）方程的全显式时域积分法求解,有效提高计算效率。最后,通过与Newmark法的数值结果进行对比,验证了提出方法的正确性,并说明该方法可以应用于求解饱和土场地-桩基-地上结构体系的地震响应问题。     

刚性桩复合地基-上部结构动力相互作用体系抗震性能及影响因素分析

通过模拟土的非线性动力本构模型,选取合理的人工边界及耦合阻尼模型,建立了刚性桩复合地基与上部结构相互作用体系三维有限元动力分析模型。通过计算,对比了刚性桩复合地基与普通桩基对上部结构地震反应的影响异同,同时得到了土体模量与分层、基础埋深、桩径与桩长、砂石垫层模量与厚度以及上部结构特性等因素在考虑土-结构动力相互作用时对刚性桩复合地基抗震性能的影响及其基本规律,并与已有相关试验结果进行了对比,得到较好验证。研究结果为工程设计与工程应用提供了可借鉴的理论依据。     

建筑桩基的有效应力地震反应分析：Ⅱ--应用

应用所提出的建筑桩基地震反应分析方法及程序,分析了液化地基上建筑桩基的抗震性状,对其加速度、振动孔隙水压力和桩基震陷等特性进行了研究     

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。     

建筑桩基的有效应力地震反应分析：II—应用

应用所提出的建筑桩基地震地震反应分析方法及程序,分析了液化地基上建筑桩基的抗震性状,对其加速度、振动孔隙水压力和桩基震陷等特性进行了研究。     

超深桩基础的有效应力地震反应有限元分析

采用有效应力动力分析方法,通过三维有限元数值分析手段,对某长江大桥索塔超深钢围堰加钻孔灌注桩基础进行了地震反应性状分析,对超深桩基础的震陷、地震反应加速度及振动孔隙水压力等动力特性进行了研究。计算结果表明：在地震作用下,桩基发生了较大永久变形,水平位移表现为桩侧土体向桩挤压,桩下部土体向外运动;桩侧附近的地震振动孔隙水压力较小,液化度也较小,相对于天然地基,桩基有较好的抗震性能;桩基础在桩顶部位动力反应相对较大,且边桩的动力反应比中桩的动力反应要大。     

地震作用下饱和土-桩-上部结构动力相互作用研究

将土体视为液固两相多孔介质,利用连续介质力学得到了饱和土层的水平动力阻抗,将上部结构视为梁单元,桩-饱和土-桩之间的动力相互作用借助于等效的Winkler动力弹簧和波的干涉来模拟,并通过承台处力的平衡将群桩和上部结构耦合起来,研究了简谐SH地震波作用下饱和土-桩-上部结构的动力相互作用问题。以2×2群桩为例,对饱和土-桩-上部结构体系进行了数值分析,讨论有关参数对结构体系动力特性特别是抗震性能的影响。数值分析表明,桩间距、桩-土弹性模量比、长径比等对结构体系的抗震性能有较大影响。桩间距对地震放大系数的影响与外界激励的频率有关,桩土模量比较小、结构和桩基的阻尼较大时结构体系的抗震效果较好,长径比越大地震作用下产生的结构变形越大     

土−桩基−隔震支座−核岛地震反应试验研究

通过开展大型地震模拟振动台试验,对比研究了土−桩基−隔震支座−核岛结构和土−桩基−核岛结构的地震反应。试验采用橡胶铅锌支座作为基础隔震,放置于桩基承台和上部核岛结构之间,地基土采用某工程场地的均匀粉质黏土,试验输入的地震动时程,是由美国核电设计的 RG1.60 反应谱拟合而成。试验结果表明：隔震支座不仅可以改变上部结构频率、减小加速度和反应谱幅值大小,还可以减少下部桩的弯矩,起到降低上部结构的反应的隔震作用。但隔震支座的使用会改变桩基础的弯矩分布,核电工程采用隔震支座时应对桩基受力和变形进行特殊抗震设计,以保证土−桩−上部结构整体系统的抗震稳定性。     

基于物态本构模型的路基动力反应分析

以动力固结理论和瞬态动力学理论为基础,将有效应力物态动本构关系引入到以动力反应与动力固结相耦合、静应力与动应力变化相耦合、孔压的产生、扩散和消散相耦合的动力三维瞬态动力学基本方程组中,形成了饱和土体有效应力物态地震反应分析的完整理论体系。利用有限元法对饱和路基进行了瞬态地震反应分析,较好地反映了土体在震动过程中剪 胀、剪缩的实际性态,比以往引进孔压模型和静-动交替分析计算更为合理。     

软土地下结构的地震土压力分析研究

在软土室内动力试验和有限元有效应力动力反应分析基础上,采用一种能够全面考虑软土振动孔压上升及消散、震陷、土-结构动力相互作用等因素的软土地下建筑物抗震稳定分析方法,对上海地铁一号线典型地铁车站结构进行地震土压力计算分析。据此对各类常用地震土压力简化计算方法进行评价,为今后改进地震土压力计算方法、提高软土地下建筑抗震设计水平提供了依据。     

隧道仰坡地震动力响应特性振动台模型试验研究

为研究地震作用下山岭隧道仰坡的动力响应特性及仰坡坡体和衬砌结构的相互作用,设计并完成了隧道洞口段大型振动台模型试验。试验结果表明,地震作用下仰坡的加速度反应存在显著的非线性放大效应和趋表效应;当输入地震波幅值超过0.6g时,土体的非线性反应明显增强,加速度放大系数显著降低,表现出放大效应饱和的特性,且沿坡体竖直向上,加速度分布逐渐表现出平均化的趋势;隧道洞口段仰坡水平向动力反应受隧道结构存在的影响较小,可简化为自然边坡进行分析;仰坡的动力失稳是影响衬砌结构安全性的重要因素,当输入地震波幅值较小时,竖直向地震作用下衬砌主要受力部位受力要大于水平向地震作用,当幅值较大时,水平向地震动对衬砌结构的影响则明显大于竖向地震动;均质仰坡的破坏部位主要位于仰坡坡肩至坡面上部,破坏过程表现为地震力诱发-坡肩土体拉裂张开-坡肩土体倾倒崩塌-崩塌的土体沿坡面滑落碰撞-形成碎屑流堆积于坡脚。模型试验的结果能为山岭隧道洞口段的理论分析、计算和设计提供指导和依据。     

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。     

考虑辐射阻尼的土-结构相互作用体系等效输入

为考虑土-结构相互作用对输入地震波的影响,基于两步法思想,建立了考虑辐射阻尼效应的等效输入地震波。在该种方法中,将单自由度体系的基础地震反应为上部结构的输入,然后用状态空间法计算考虑土-结构相互作用后体系阻尼比的变换情况,用以修正上部结构的阻尼系数,从而利用刚性基础的反应近似计算土-结构相互作用的影响。对一个单自由度体系和一个5层框架结构进行计算分析,算例分析表明,直接利用自由场的地震波或基岩波作为上部结构的输入,计算误差甚至超过100%,而两步法可使体系的计算误差小于10%,采用修正阻尼系数的两步法,误差将小于5%,满足工程需要。     

褥垫层作用下复合地基抗震性能有限元分析

采用大型非线性有限元程序ADINA,针对复合地基-基础-上部结构典型算例,建立了计算模型,并进行了有限元动力时程分析。计算模型中,桩体、桩间土、垫层、基础采用简化的线弹性模型,分别定义材料类型;上部结构采用弯矩曲率梁算法进行计算;在边界设置黏性边界模拟无限域中的动力人工边界。通过数值计算研究了不同桩体刚度对自由场地加固区地表和非加固区地表位移峰值和加速度峰值和桩身所受到的弯矩及剪力的影响;研究了上部结构在不同垫层性质（不同刚度和不同厚度）作用下的动力反应,从而得出垫层的合理设置,为复合地基设计施工提供依据。     

地下结构地震反应分析中场地瑞利阻尼构建方法比较研究

动力时程分析中,结构地震反应的计算精度很大程度上取决于瑞利阻尼系数的确定。通过对某一成层场地在不同地震动作用下的动力反应分析,比较了目前工程上常用瑞利阻尼构建方法的时域计算结果和频域等效线性化计算结果,探讨了由频域分析中的滞回阻尼比构建时域分析中瑞利阻尼系数的新方法。在此基础上,对比研究了不同瑞利阻尼构造方法对某单层双跨地下车站结构地震反应的影响。结果表明:对于场地地震反应而言,提出的瑞利阻尼系数的时域计算结果与频域解的平均误差最小;对于地下结构地震反应而言,改进完整形式瑞利阻尼系数的时域计算结果与该方法计算结果基本一致。提出的瑞利阻尼系数计算方法精度较高,操作简单,可在场地和地下结构地震反应分析中推广使用。     

反应位移法在地下综合管廊抗震设计中的应用

为探讨反应位移法在地下综合管廊地震分析中的适用性及地基弹簧刚度选取和模拟方法,采用SAP2000结构有限元软件进行地下结构地震反应分析,研究基床系数、地层剪应力计算方法对结构地震响应的影响,并与PLAXIS软件的动力时程分析结果进行对比分析。结果表明：反应位移法在地下综合管廊的初步抗震计算中可优先选用;在地基弹簧刚度计算方法中,推荐使用日本公式法和常规静力有限元法,并尽量考虑土层分层情况,若一味作均匀等效化,可能导致土体动剪切模量偏大,土层均质等效计算的结构内力值与动力时程法的结构内力偏差达到-400%~-250%;建议采用SAP2000程序中实现仅受压行为的两节点缝单元+远端固定铰支座相结合的方法模拟法向地基弹簧,采用常规土弹簧单元模拟切向地基单元。     

上海深厚饱和覆盖土层的动力耦合地震反应分析

上海的第四纪沉积土层呈水平层状分布，市区的土层厚度约为270－290m，年平均地下水位0.5-0.7m。上海地区上覆深厚、饱和的沉积土层，对土层的地震反应特性具有重要的影响。基于动力耦合理论，将上海深厚饱和覆盖土层视为由固相和液相组成的两相饱和多孔介质，建立了能够反映上海土层深厚、饱和特点的地震反应计算模型。然后应用该模型，以El Centro,Taft，苏南和唐山地震波作为基岩输入加速度，对深度280m的上海深厚覆盖土层进行了动力耦合地震反应计算，并对加速度、振动孔隙水压力和地基震陷结果进行了分析。     

深厚饱和软土场地中透镜体对上部结构地震响应的影响

工程场地中透镜体对地震动具有明显的影响,且饱和场地与相应干土场地的地震响应具有明显的差别,而目前对于深厚饱和软土场地中透镜体对地震响应的影响还鲜有研究。采用有限元-间接边界元耦合法,建立饱和场地中非线性土-结构动力相互作用模型,对深厚饱和软土场地中透镜体的宽度、厚度和埋深对上部结构动力响应的影响进行了系统地分析,并着重讨论了土骨架-孔隙水耦合作用的影响。研究表明,深厚饱和软土场地中的透镜体可能会明显改变上部结构的动力响应;透镜体的宽度、厚度和埋深对上部结构动力响应有不同程度的影响,且与干土场地中规律存在明显差异;土骨架-孔隙水耦合作用对上部结构动力响应的影响显著。