复杂地基条件下桩-土-核岛结构相互作用模型研究

合理有效地模拟桩-土-结构动力相互作用是软土地基条件下核岛厂房结构抗震适应性分析及地基处理的关键环节。以某拟建核岛厂房实际工程为研究背景,结合SuperFLUSH软件平台,以Goodman单元模拟桩与桩周土间的接触效应,采用等价线性法描述近场软土地基非线性特性,并在模型底部和侧面引入黏性边界模拟半无限地基辐射阻尼效应,从而建立土质地基条件下桩-土-核岛结构相互作用分析模型。进而,通过对原状地基和嵌岩桩处理地基条件下核岛厂房的楼层反应谱、结构节点相对位移（绝对值）的对比分析,探讨考虑桩-土间接触效应的嵌岩桩基对核岛厂房结构的影响规律。研究成果可为实际工程中类似土质地基条件下核岛厂房结构的地基处理提供参考。     

某沿海软土地区核电厂核岛天然地基及桩基抗震承载力分析

针对我国核岛厂房建设尚没有采用桩基础的现状,以某拟建核电厂嵌岩桩加固后的软土地基为研究对象,采用滑面应力法确定地基天然承载力,采用等效线性法描述近场地基非线性特征,粘性人工边界模拟辐射阻尼效应及考虑桩土效应影响的节点耦合,建立了桩-土-结构动力相互作用模型,并通过有限元分析计算得到静力、地震作用下桩体内力分布,给出满足抗震承载力要求的配筋方案。研究结果可为类似条件下的核岛厂房软土地基处理方案的抗震设计提供借鉴与参考。     

考虑桩-土-结构动力相互作用的土质地基条件下核岛厂房地震响应分析

在有限元框架内以全耦合方式考虑群桩效应的影响,引入粘性人工边界模拟无限地基辐射阻尼效应,并采用等效线性法模拟地基非线性特征,建立了嵌岩桩-土-结构动力相互作用计算模型;基于此模型,以CPR1000核岛厂房结构为研究对象,综合对比分析原状土质地基条件下和嵌岩桩处理地基条件下核电厂房地震响应。研究结果可为类似地基条件下核岛厂房的抗震设计提供参考。     

基于DSSEM的核电厂房结构楼层反应谱分析

核电厂房的楼层反应谱在地基适应性分析以及设备的抗震设计中具有重要的意义,伴随着我国核电厂址条件的日趋复杂化,合理有效的无限地基模型成为需要解决的关键技术问题。为解决此问题,发展了基于阻尼溶剂逐步抽取法无限地基时域模型,进而耦合核电厂厂房结构,在有限元框架内建立了适用于非均质场地条件的核岛厂房-地基动力相互作用分析模型,并给出了该模型在通用有限元软件ANSYS嵌入的开发流程,以推进动力相互作用时域数值分析的实用化。以三维全空间中的球形空腔动力变形为例,针对上述开发模型进行了验证,并就不同无限地基模型对核电厂楼层加速度反应谱的影响进行了探讨。计算结果表明,该模型在求解复杂非均质地基条件下的核岛-地基相互作用问题具有良好的可靠性和工程适用性。     

级配砂石地基条件下核安全级廊道结构地震响应分析

级配砂石处理核安全级廊道结构的软弱地基有良好的发展前景,发展级配砂石地基条件下的廊道地震响应分析模型是评价其抗震安全性的关键问题。以某核电厂废液输送机排放廊道为研究对象,通过引入等价线性法描述近场级配砂石地基的非线性特征,在分析模型底部施加黏性边界模拟半无限空间,在截断边界的两侧施加黏性边界考虑波动的逸散效果,通过无厚度Goodman单元模拟廊道结构与周围地基的摩擦效应,并利用基于有限元法的自由场响应分析实现地震动输入,从而建立了级配砂石地基条件核安全级廊道结构地震响应分析计算模型。最后,通过开展级配砂石与回填素混凝土两种地基处理条件的廊道地震响应对比分析,该模型表现出良好的规律性及工程应用效果。研究成果可为在建项目、后续核电项目此类问题的地基处理提供借鉴与参考。     

某核电厂应急通道桥梁地震响应分析

某核电厂为满足建设、运营及特殊情况下的应急需求,拟建应急通道桥,其抗震安全十分重要。本文介绍了考虑桥-桩-地基的三维整体精细化模型的有限元动力时程分析方法,计算桥梁在SL-1(运行安全地震动)和SL-2(极限安全地震动)地震作用下地基典型断面、T梁以及墩柱的动力响应。结果表明该方法能直接处理土的非线性问题以及方便的考虑地基辐射阻尼作用,同时可以精细模拟T梁和盖梁间的支座接触。三维计算采用自主开发的GEODYNA高性能软件平台,计算效率较高。该方法可为核电厂桥梁抗震设计提供参考。     

不同地基条件对泳池式反应堆结构地震响应的影响

泳池式反应堆(简称泳池堆)是环境友好型的新型供热源,不同地基条件下反应堆厂房结构的地震响应是进行抗震设计的关键技术参考。以某堆型泳池式反应堆厂房为研究对象,基于ANSYS软件及UPFs的二次开发特点,建立考虑液晃效应的泳池堆-地基三维动力相互作用模型,其中,通过创建黏弹性边界单元来考虑散射波的能量耗散,采用Housner等效力学模型模拟动液压效应,从而开展不同地基对泳池堆厂房结构地震响应的影响分析。分析结果表明：当地基土的坚硬度、刚度逐渐减小时,泳池堆的地震响应变化明显,特别是由岩性地基逐渐变为土质地基时,结构的主应力和层间位移角逐渐增大,而加速度反应谱则逐渐减小。研究成果可为不同型号泳池堆的抗震设计提供有益的参考。     

液化侧扩流场地桥梁群桩效应分析

基于u-p有限元公式模拟饱和砂土中水和土颗粒完全耦合效应,建立液化侧向流场地群桩动力反应分析的三维数值模型。模型中,砂土采用多屈服面弹塑性本构模型模拟、黏土采用多屈服面运动塑性模型模拟,群桩在计算过程中保持线弹性状态;采用20节点的六面体单元和考虑孔压效应的20-8节点分别划分黏土层和饱和砂层;选用剪切梁边界处理计算域的人工边界,模拟地震过程中土层的剪切效应;应用瑞利阻尼考虑体系的阻尼效应。随后对比分析2×2群桩中各单桩的地震反应规律,结果表明,各单桩的弯矩、位移时程规律基本一致,峰值弯矩及峰值位移出现时刻滞后于输入加速度峰值时刻,上坡向桩的弯矩和位移峰值大于下坡向的桩的反应值。接着通过改变桩间距研究群桩效应,随着桩间距增加,群桩中各单桩的弯矩最大值均出现在土层分界处,且各单桩的弯矩、桩顶位移逐渐增大。最后给出液化侧向流场地群桩效应的基本原因,得出该类场地群桩抗震设计的基本认识。     

复杂非均质场地条件下核电厂联合泵房抗震安全性评价分析

鉴于核电厂选址的愈发复杂多样性,合理有效地模拟复杂非均质地基条件下抗震I类物项结构的静动力耦合响应是进行抗震安全性评价的关键技术问题。以某核电厂联合泵房的实际厂址地基为背景,针对静动力分析中的边界处理问题,基于Newmark隐式积分特点和黏弹性人工边界理论,提出了一种适于静动力耦合分析求解的人工边界模型,并通过创建无厚度紧支黏弹性人工边界单元实现了所开发模型在ANSYS平台的嵌入。进而,通过联合泵房结构静力分析与极大初始时间步分析的对比,验证所提出模型的合理可靠性。最后,从结构应力、响应及地基稳定性等方面对联合泵房进行了综合评价,并就地基局部非均质的影响进行探讨。研究结果表明：实际厂址中局部捕虏体的存在对联合泵房结构的地震响应及地基安全性影响较小,且所建立模型具有较好地解决非线性动力相互作用问题的潜力。     

桩土共同作用下桩长对结构抗震性能影响分析

桩基础是松软深厚地基上高层建筑的主要基础形式,其长度直接影响高层建筑的抗震性能。尽管桩基础有较广的应用范围,但桩长与结构整体抗震性能的相关性研究还颇为少见。根据上海某高层建筑地基基础结构数据建立软土地基上桩基础高层建筑平面动力有限元计算模型,以横观各向同性材料模拟软土地基,弹性阻尼人工边界模拟地基半无限体,薄膜单元模拟桩土间接触滑移性能,并考虑桩-土-结构共同作用,采用上海地铁某车站地震监测数据作为地震波输入,在其他条件不变的情况下选择各种桩长进行计算,根据计算结果分析讨论在该模型条件下桩长选择对上部结构以及桩基础整体抗震性能的影响,提出优化方案。     

Experimental investigation on seismic behavior of scoured bridge pier with pile foundation

This study investigated the seismic performance and soil‐structure interaction of a scoured bridge models with pile foundation by shaking table tests using a biaxial laminar shear box. The bridge pier model with pile foundation comprised a lumped mass representing the superstructure, a steel pier, and a footing supported by a single aluminum pile within dry silica sand. End of the pile was fixed at the bottom of the shear box to simulate the scenario that the pile was embedded in a firm stratum of rock. The bridge pier model was subjected to one‐directional shakes, including white noise and earthquake records. The performance of the bridge pier model with pile foundation was discussed for different scoured conditions. It is found that the moment demand of pile increases with the increase of scoured depth whereas the moment demand of the bridge pier decreases, and this transition may induce the bridge failure mechanism transform from pier to pile. The seismic demand on scoured pile foundations may be underestimated and misinterpreted to a certain degree. When evaluating the system damping ratio with SSI, the system response may not be significantly changed even if the soil viscous damping contribution is varied. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于等效线性化方法的一维土层地震反应通用计算程序对比

基于等效线性化的一维土层地震反应计算是目前国内外普遍采用的方法,国外的SHAKE91、DEEPSOIL和我国的LSSRLI-1即是根据这一方法编制的通用计算程序。本文采用这3个程序进行了不同地震波、不同输入地震动幅值下不同场地类型的土层地震反应计算,并对三者的结果进行了全面的比较分析。结果表明:①SHAKE91和DEEPSOIL程序的计算结果完全相同;②当土层最大剪应变均采用时域计算时,LSSRLI-1程序的计算结果与SHAKE91和DEEPSOIL程序基本相同,但有微小差别,其原因是:在基于等效剪应变通过离散形式的剪切模量和阻尼比随等效剪应变变化的关系曲线确定等效剪切模量和阻尼比时,DEEPSOIL和SHAKE91采用的插值方法与LSSRLI-1不同;③当LSSRLI-1程序采用频域经验关系计算土层最大剪应变时,特别是在强地震动输入下得到的土层地表加速度峰值和加速度反应谱与另外两个程序的计算结果有差别,且土层最大剪应变随着输入加速度的增大出现较大的差别。因此,本文建议:当采用LSSRLI-1程序计算土层地震响应时,应使用程序中的时域解方法代替以往默认的频域经验关系方法。     

Construction parameters of graded sand-gravel foundation on seismic response law of nuclear safety grade underground corridor

The treatment of soft soil foundation under nuclear safety grade corridors with graded sand and gravel materials has a good development prospect. It is of great engineering value to explore the influence of construction parameters of graded sand and gravel foundation on the seismic response of gallery structures. Taking the safety grade underground corridor of a nuclear power plant as the engineering background, the equivalent linear method is used to consider the nonlinear dynamic characteristics of graded sand and gravel. The energy transfer boundary is applied at the truncation boundary to simulate the dissipation effect of scattered wave fluctuation energy and the ground motion input. The thicknessless contact element is introduced to consider the contact effect between the corridor structure and the graded sand and gravel foundation, so as to establish the calculation model of the dynamic interaction between the graded sand and gravel foundation and the corridor structure. Furthermore, the influence of the relative compactness and the foundation treatment depth on the seismic response of the corridor structure is studied, and the calculation results of the acceleration response spectrum and relative displacement of the corridor structure are analyzed. The calculation results show that the two construction parameters have different degrees of influence on the seismic response of corridor structure. The research results can provide reference for the engineering design and construction of underground corridors, and provide technical support for the application of graded gravel materials in soft soil foundation treatment.     

土体参数对地表加速度峰值和反应谱的影响

运用一维土层地震反应的等效线性化波动方法,研究了单层均质土密度、动剪切模量比和阻尼比、土层厚度和土层剪切波速等参数变化对土层地表加速度峰值和反应谱的影响,所得到的结论对于指导地震安全性评价中的勘察试验工作、提高土层地震反应的计算精度具有一定的参考价值。     

近断层脉冲型地震下建筑地桩基础沉降分析

传统基于碰撞回弹系数Stereo-mechanical方法在分析建筑地桩基础的沉降位移过程中未考虑地桩基础碰撞的能量损耗,造成分析结果存在准确性和可信度较低的问题。因此提出改进的Kelvin建筑地桩基础碰撞沉降分析方法,以解决基于碰撞回弹系数Stereo-mechanical法存在的问题。采用线性阻尼构建Kelvin模型,分析地桩基础碰撞靠近阶段和回弹阶段的阻尼做功,构建地桩基础碰撞转换单自由度体系振动模型,实现对地桩基础的相对沉降速度和相对沉降位移的有效运算,基于建筑地桩基础碰撞沉降发生初始和结束时刻的能量和动量守恒定理,得到建筑地桩基础的最大沉降位移,实现对建筑地桩基础沉降的有效分析。实验结果说明,所提方法能提高地桩基础沉降分析的准确性和可信度。     

The near-field method for dynamic analysis of structures on soft soils including inelastic soil–structure interaction

The problem of soil–structure interaction analysis with the direct method is studied. The direct method consists of explicitly modeling the surrounding soil to bedrock and the structure resting on the soil. For the soil medium, usually the traditional equivalent linear method with a reduced shear modulus and an increased damping ratio for the soil is used. However, this method does not work in the vicinity of foundation where the soil behavior is highly nonlinear because of presence of large strains. This research proposes a modified equivalent linear method with a further reduction of the soil shear modulus in the near-field of foundation that results in validity of using the equivalent linear method throughout. For regular short, intermediate and tall structures resting on such soft soils, a series of dynamic time-history analysis is implemented using earthquake records scaled to a sample design spectrum and the nonlinear structural responses are compared for different assumptions of soil behavior including the elasto-plastic Mohr–Coulomb, the traditional equivalent linear, and the proposed modified equivalent linear method. This analysis validates the proposed method.     

基于黏弹性边界的地震动输入方法和边界条件选择研究

针对地下工程抗震分析中边界条件和地震动输入方式选择问题,对一地下半无限体模型在一剪切波垂直入射条件下进行不同边界条件和不同地震动输入方法的算例试算。结果发现:两侧采用竖直向位移约束、底部采用黏弹性边界、并在模型底部用等效节点力输入地震动的方法,与三边均采用黏弹性边界条件和三边均采用等效节点荷载输入地震动的方法可以获得同样的结果。该方法易于在ANSYS中通过APDL编程实现,可为地下工程抗震分析中黏弹性边界的使用提供便利。