结构-地基动力相互作用体系振动台模型试验研究

本文设计实现了结构－地基动力相互作用体系的振动台试验,通过试验研究了动力相互作用体系的地震动反应的主要规律,由于动力相互作用的影响,软土地基中相互作用体系的频率远小于刚性地基上不考虑结构－地基相互作用的结构频率,而阻尼比例则远大于结构材料阻尼比,软上地基对地震动走滤波和隔震作用,由于上部结构的振动反馈,基底地震动与自由场地震动不相同,上部结构柱顶加速度反应主要由基础转动引起的摆动分量组成,平均分量次之,而弹性变形分量很小,桩身应变幅值呈桩顶大,桩尖小的倒三角形分布,桩上接触压力幅值呈桩顶小,桩尖大的三角形分布,试验表明,结构－地基动力相互作用对体系地震反应的影响是很是显著的,本试验为验证理论与计算分析的研究成果,改进或提出合理的计算模型和分析方法,提出了丰富的试验数据,为进一步研究奠定的基础。     

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。     

爆破地震作用下桩-土-结构相互作用的数值模拟

土-结构动力相互作用是地震工程和结构抗震的重要研究内容,但目前对爆破地震作用下土-结构动力相互作用的研究较少。运用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA,建立了桩-土-结构相互作用体系的三维有限元模型,由桩尖输入实测爆破地震波,取得了良好的计算效果。计算结果表明：考虑桩-土-结构相互作用后,群桩基础中每个桩的位移、加速度和剪应力幅值均呈桩顶大、桩尖小的倒三角分布,桩与承台的接合部比较容易受到损坏;桩-土-结构相互作用体系在爆破地震波冲击后,还会发生几次振动,但是这些振动产生的影响要小于爆破地震产生的影响,这与实测结果相符合;爆破地震波冲击下,群桩基础中,角桩顶部表面的桩土接触压力较大,但在爆破地震波冲击后,中心桩顶部表面的桩土接触压力较大,且具有一定的周期性,直至衰减为零。     

用ANSYS模拟结构-地基动力相互作用振动台试验的建模方法

本文以结构－地基动力相互作用振动台模型试验为基础，结合通用有限元软件ANSYS，对结构－地基动力相互作用体系进行有限元计算建模的一些问题作了研究，主要包括柔性土容器的模拟、土体动力本构模型的选用、土体与结构交界面上的状态非线性模型、网格划分、重力的考虑、结构中钢筋的处理以及对称性的应用等。文中给出了利用上述建模方法对结构－地基动力相互作用体系进行计算的一些加速度时程结果，并与试验结果相对照，吻合较好。通过计算分析，验证了简化处理方法的合理性和计算模型的可行性。     

桩基—非线性框剪结构相互作用体系（上）——群桩阻抗函数的求取

为研究桩基－非线性框剪结构相互作用体系的地震反应,需要求解群桩基础的动力阻抗函数。本文利用单桩阻抗和群桩动力相互作用因子计算群桩动力阻抗函数,计算并讨论了不同构形群桩阻抗函数在软、中和硬土地基中的变化规律和特点。研究表明：群桩阻抗表现出很强的频率相关性,随土体剪切波速的增大,群桩阻抗有较大幅度的增加,但土体剪切波速的变化对群桩效率（规格化阻抗函数）影响不大。     

接触对桩-土-结构动力相互作用体系的影响

为了考察桩-土接触效应对结构地震反应的影响,利用有限元软件ABAQUS建立了土-桩-框架二维有限元模型,分别采用损伤塑性模型和动力粘塑性记忆型嵌套面模型模拟混凝土和土体,利用rebar单元模拟混凝土内的钢筋,取得了较好的计算效果.计算分析中采用19条不同频谱的地震波记录,考虑了地震动强度、桩径、摩擦系数等因素,以层间位移角和桩顶最大位移为主要评价指标,揭示相互作用体系的动力响应特性.分析认为,计算结果对桩、土摩擦系数的取值不敏感;不考虑土-桩接触时,近场土体的动力反应与实际情况存在一定的误差,且上部结构和桩基的动力反应会被低估,应该考虑桩-土动力接触效应;地震动强度增加时,随着结构进入塑性状态,低估程度减小;桩径增加时,低估程度没有显著变化,虽然桩基和上部结构的反应都有所减小.     

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。     

地震作用下上部结构刚度改变对基桩受力的影响

结合典型工程实例，采用在土体侧向边界节点处用弹簧并联阻尼器来进行模拟，在平面应变单元和桩体梁单元连接处用约束方程的方法进行节点耦合、满足连续条件，选择桩、土、荷载参数，用整体有限元方法进行桩－土－结构相互作用体系的地震反应分析。重点讨论了三种不同的上部结构刚度对桩基地震内力的影响，得到了在水平地震荷载作用下上部结构刚度的增大将增大桩基的内力及水平位移，且桩顶及桩身处于第一个软硬土层交界面处的截面的内力尤为突出等结论。关键词：上部结构刚度改变；桩－土－结构相互作用；弹性－阻尼边界；地震反应分析     

桩基—非线性框剪结构相互作用体系（下）—相互作用对结构地 …

本文研究桩基－非线性框剪结构相互作用体系的地震反应。其中上部框架和剪力墙结构分别用门型单元和四弹簧墙单元进行分析;桩基阻抗通过单桩阻抗和动力相互作用因子求得。采用频－时域混合法对解体系的动力方程,本文研究了在桩基－框剪结构相互作用体系地震反应分析中,桩基阻抗的频率相关性对结构地震反应的影响,并从土体剪切波速和地震波强度两个方面,研究了土－桩－结构相互作用对框剪结构地震反应的影响。     

通过群桩-土-偏心结构振动台试验分析群桩与地基的响应

通过对群桩-土-偏心结构相互作用体系振动台试验,分析了结构偏心效应对相互作用体系自振特性、地基振动和桩基变形的影响规律。试验结果表明:地基土的加入使得相互作用体系前两阶自振频率相差增大,平扭振动耦联程度降低,体系阻尼比明显增加;结构偏心效应增大了角桩的加速度响应,高出同深度边桩测点10～15%,桩身振动频率特性较场地土有明显差别;角桩变形幅度较边桩更为突出,桩长范围内角桩应变峰值始终大于边桩测点,两者相差在桩顶附近达到最大;桩间土承担了部分扭转效应,角桩较边桩应变增幅约为对应位置筏板位移增幅的一半;土的动力放大特性与以往研究规律相近,结构偏心效应对地基整体振动产生的影响不很明显;桩土界面动力响应与筏板平动位移时程相对应,且随深度的增加而逐步增大。     

均匀土-箱基-结构相互作用体系的计算分析

采用通用有限元程序ANSYS，针对捱动台试验中的均匀土-箱基-结构试验进行了三维有限元分析，计算中土体的本构模型采用等效线性模型，利用面-面接触单元考虑土体与基础交界面的状态非线性。计算表明，基础底面和土体发生滑移，基础侧面和土体之间发生了滑移和脱离，上部结构柱顶加速度反应主要由基础转动引起的摆动分量组成，通过与试验结果的对照研究，二者得出的规律基本一致，验证了采用的计算模型与分析方法的合理性，为进一步计算研究和实际工程应用奠定了基础。     

水平排桩对土体振动抑制作用影响的试验研究

为研究水平放置排桩对土体振动幅值的抑制作用,采用控制变量法进行模型试验,将试验获得的时域信号通过傅里叶变换转换为频域信号,得到频域条件下土体振幅,并绘制土体振幅等值线图,对等值线图不同区域土体振幅进行分析,重点分析振幅显著位置处数值变化。研究结果表明,排桩布置区域上方土体振幅大于排桩布置区域外的土体振幅,沿桩长方向土体振幅大于垂直于桩方向土体振幅;在排桩布置区域上方,排桩对高频波引起的土体振动抑制作用较差,对低频波引起的土体振动抑制作用较明显;排桩埋深越小,对土体振动的抑制作用越明显;排桩布置区域填充率越大,对土体振动的抑制作用越明显;排桩桩径越大,对土体振动的抑制作用越明显。     

轨道交通荷载下桩板结构主动隔振效果研究

为了研究在轨道交通荷载作用下桩板结构主动隔振措施的隔振效果,通过无限元边界与有限元边界相结合的有限元分析方法在路基中建立桩板结构模型,并在沙土地基中设置混凝土桩板结构进行模型试验,通过模型试验对有限元数值模拟结果加以验证,将桩长、埋深及置换率3个因素考虑在内,研究其对隔振效果的影响。结果表明:模型试验验证有限元计算方法的可靠性;随桩长增加振幅降低比减小,隔振效果明显,随着振源距离增加其振幅降低比减小明显;埋深为桩板结构主动隔振措施中的主要影响因素,随着埋深增加振幅降低比明显减小,隔振效果越明显;有限元计算过程中置换率对隔振效果的影响不明显,但是在模型试验中置换率对隔振效果影响较显著。     

强震作用下桩-土-断层非线性动力相互作用特性

为研究强震区跨断层桥梁桩基非线性动力相互作用特性,依托海文大桥实体工程,利用MIDAS/GTS有限元软件,建立了桩-土-断层相互作用模型,分析0.20~0.60g地震动强度下断层上下盘桩基加速度响应、桩顶水平位移、桩身弯矩以及桩身剪力响应情况。结果表明:覆盖层土体对桩身加速度放大作用明显,且随着输入地震动强度的增大,放大作用逐渐减弱;覆盖层对地震波的滤波作用显著,随着输入地震动强度的增大,滤波作用逐渐减弱;上盘桩基达到桩顶峰值加速度的时刻滞后于下盘;随着输入地震动强度的增大,上、下盘桩的桩顶产生的永久位移和水平位移峰值逐渐变大,上盘桩顶产生的永久位移和桩顶峰值位移均大于下盘,产生显著的"上盘效应";不同强度地震动作用下,断层上、下盘桩基弯矩均在上部土层界面处达到峰值,剪力均在基岩面处达到峰值,下盘桩基弯矩和剪力峰值大于上盘桩基,呈现出显著的"下盘效应"。在桥梁桩基抗震设计时,应着重考虑断层上、下盘桩基的差异和不同强度地震作用对桩基承载特性的影响。     

Separation and sliding between soil and structure during strong ground motion

This paper presents an approach to the problem of separation and sliding between soil and structure in the finite element analysis of dynamic soil-structure interaction problems. Joint elements are arranged along the contact surface between soil and structure and they have a property such that tensile forces are not transmitted between the planes representing structure and soil in the finite element analysis. The dynamic properties governing the sliding are determined by the Mohr-Coulomb failure law determined from the cohesion and the friction angle between soil and structure. The proposed method is applied to (i) a model of a reactor building resting on the free surface of layered ground and (ii) a buried foundation structure. The numerical computations reveal the following results: that the translation is dominant in the motion of the structure when sliding is taking place between soil and structure, and that the rocking is dominant in the rest of the response. The amplitude of the response during sliding is increased on any one point of the structure and decreased on any one point of the ground compared with that of the fixed condition at the interface. In the case of the buried structure, it is observed in the computed results that the structure and soil move in the opposite direction along the vertical contact surface and are separated from each other in the near surface region during the strong phase of the excitation.     

地震区跨活动断层桥梁桩基动力时程响应分析

为了研究强震区桥梁跨活动断层时,桩基在地震中的动力响应,以海文大桥为工程背景,利用Midas GTS有限元软件建立其强震区桩-海床岩土体-断层耦合作用的数值模型,研究不同强度(0.20g～0.60g)的50年超越概率为10%的地震波(后文简称5010地震波)作用下,桥梁桩基加速度、位移、弯矩及剪力的动力时程响应特性。结果表明：上部大厚度松散土体对桩身加速度有放大及滤波作用,而基岩对桩身加速度几乎不产生作用;断层上、下盘桩基础的桩顶水平位移随输入地震动强度的增大而增大,但达到振幅的时刻一致;上、下盘桩基础桩顶竖向位移时程响应都在50 s以后产生永久沉降;桩身最大弯矩截面处时程响应均在40 s以后产生永久弯矩;应重点考虑上部覆盖层软硬土体界面和基岩界面的抗弯承载力设计,及桩顶和基岩面附近的抗剪承载力设计;上盘桩基础按桩身加速度、弯矩、桩顶水平位移等动参数控制设计,下盘桩基础按动剪应力控制设计。     

3-D Simulation Study on Seismic Response of Bridge Piles in Landslide

The anti-slide support structure is widely used in the anti-seismic reinforcement of bridge foundations, but related experimental research was processing slowly. Based on the prototype of the Jiuzhaigou bridge at the Chengdu-Lanzhou Railway, a 3-D simulation model was established on the basis of the shaking table model test, and the rationality of the dynamic analysis model was verified by indicators such as the bending moment of the bridge piles, peak soil pressure, and PGA amplification factors. The results show that the inertia force of the bridge pier has an important influence on the deformation of the pile foundation. The bending moment and shearing force are larger in lateral bridge piles, and the maximum value is near the pile top. The PGA amplification factor is stronger in the back of the rear anti-slide piles and so is it in front of the bridge pier, and the soil is prone to slip and damage. The bedrock is rigid and the dynamic response is maintained at a low level. The anti-slide piles in the rear row play a major role in the anti-seismic reinforcement design, and the anti-slide piles in the front row can be used as an auxiliary support structure.     

Modelling of pile wave barriers by effective trenches and their screening effectiveness

The three-dimensional problem of isolation of vibration by a row of piles is studied numerically on the basis of a model replacing the row of piles by an effective trench in order to reduce the modelling complexity. The analysis is accomplished with the aid of an advanced frequency domain boundary element method, which is used for both the infilled trench and the soil medium in conjunction with a coupling procedure based on enforcement of equilibrium and compatibility at the trench–soil interface. Linear elastic or viscoelastic material behaviour is assumed for both the piles and the soil. The piles can be tubular or solid and have circular or square cross-section. The vibration source is a vertical force, harmonically varying with time, and the row of piles acts as a passive wave barrier. The effective trench model is constructed by invoking well known homogenization techniques used in the mechanics of fibre-reinforced composite materials, and its accuracy is compared against a rigorous boundary element analysis modelling each pile separately in full contact with the soil medium. On the basis of the effective trench model, the screening effectiveness of a row of piles is studied through parametric studies.