基于Pasternak地基模型和Adomian分解方法的扩底桩水平动力响应分析

工程上广泛采用基于Winkler模型的层状地基反力系数法对桩土水平动力响应进行分析,该方法忽略了地基土剪切作用的影响,与工程实际有一定偏差。另外,对桩土的非线性相互作用和如扩底桩、楔形桩等变截面桩问题常用的传递矩阵法或中心差分法,计算过程较为繁琐。基于Pasternak地基模型和Adomian分解方法,提出一种考虑地基土剪切作用的桩土水平动力相互作用近似计算方法,该方法计算简便且结果精度较高,对变截面桩问题有很好的适用性;并基于该方法,对扩底桩水平动力响应问题和影响因素进行分析。结果指出,扩底半径和上部桩周土弹性模量对扩底桩水平动力响应影响较大,随着扩底半径的增加和桩周土弹性模量的增大,扩底桩水平振动位移幅值逐渐减小。另外,在较低频率的荷载激励下,应考虑土层对桩的剪切作用。     

桩-土-结构动力相互作用的线弹性地震反应分析

采用集中质量法(简化模型)，用ANSYS软件作为桩—土—结构动力相互作用分析的工具，建立了小震下钢筋混凝土剪切型结构考虑桩—土—结构动力相互作用效应的计算模型，进行了桩—土—结构相互作用线性体系的模态分析，研究了考虑桩—土—结构相互作用体系的自振特性；进行了小展下桩—土—结构相互作用体系弹性地震反应时程分析，研究了土—结构动力相互作用效应对结构地震反应的影响；得出如下结论；考虑桩—土—结构相互作用效应后，结构体系的自振特性及结构的地震反应将有所改变。     

液化场地桥梁足尺桩抗震简化分析方法

采用国际VELACS项目中离心机试验标定的内华达砂的动力计算参数,建立液化场地足尺桩-土动力相互作用分析的三维有限元模型;获得不同幅值的正弦波作用下桩-土动力相互作用的p-y曲线,修正并发展一种可用于液化场地桩-土动力相互作用分析的宏单元模型,并基于非线性文克尔地基梁模型建立桥梁足尺桩抗震分析的数值模型与简化方法,通过有限元分析结果验证该简化方法的正确性。     

桩-土动力相互作用分析模型的对比分析

本文对常用的刚结模型、铰结模型、接触模型、简化模型和弹簧模型五种桩-土动力相互作用分析模型进行了对比研究,分析发现：不同的分析模型有不同的适用范围,在桩-土动力相互作用分析时应根据所关心的问题选用不同的分析模型。本文给出了选择模型的建议,一般优先采用接触模型,次优为铰结模型。     

大直径扩底灌注桩的抗震性能研究

深入分析土-大直径扩底灌注桩体系动力相互作用机理是地震工程的重要研究内容。本文采用快速拉格朗日FLAC~(3D)有限差分程序建立地震荷载作用下扩底桩-土和等直径桩-土动力相互作用体的三维数值模型,分析大直径扩底桩与普通等直径桩地震反应的差异。桩周土采用Mohr-Coulomb弹性模型以考虑土体的非线性,桩体采用线弹性模型,桩与桩周土之间采用"切割模型"法设置桩土间接触面。输入5·12汶川地震波,对两种桩基的地震反应进行了数值计算与分析。结果表明:扩底桩的抗震性能优于等直径桩;与具有显著差异的加速度时程曲线相比,扩底桩对位移动力响应并不敏感。     

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。     

船舶撞击作用下考虑桩-土相互作用的高桩码头结构动力响应分析

船舶撞击荷载作用下高桩码头结构的动力放大效应不可忽略。采用数学理论推导与动力时程仿真计算相结合的方式,对靠泊船舶撞击作用下高桩码头结构的动力响应及动力放大效应进行了研究,获得了多自由度结构在单点撞击荷载作用下的动力响应公式及相应的动力放大系数公式,推荐了数值计算时船舶撞击荷载的时程曲线类型及持时,获取了船舶靠泊撞击荷载下考虑桩-土相互作用的高桩码头结构动力放大效应规律,明确了桩-土相互作用对放大效应的影响。计算与分析结果表明:船舶靠泊撞击荷载的时程曲线可近似为持时1.0 s的半正弦曲线;在靠泊船舶撞击荷载作用下考虑桩-土相互作用的软基上的高桩码头结构对撞击荷载的动力放大系数在2.0左右;不考虑桩-土相互作用的计算结果偏于不安全,建议在进行软土地基上高桩码头结构的动力响应计算时应避免采用假想嵌固点法;以上结论可为码头结构设计时船舶撞击荷载的合理取值与模型有限元计算提供理论依据。     

液化场地桥梁群桩基抗震分析简化方法

基于已完成的液化场地土—桩—桥梁结构地震相互作用振动台试验,利用两步法、等效单桩法,建立了液化场地群桩基础抗震分析的动力非线性文克尔地基梁模型。该模型考虑了桩—土相互作用的影响。首先,按照等刚度原则将群桩简化为等效单桩;其次,选用弹簧元件和阻尼原件并联的宏单元模拟桩—土动力相互作用;然后,计算地震作用下自由场地的土体位移和孔压比;最后,将地震作用下自由场地土体位移和孔压比作为模型的外部激励,计算桩的动力反应规律。将简化方法计算结果与液化场地桥梁桩基振动台试验结果进行对比发现,两者吻合较好,验证了简化方法的正确性。     

瑞利波作用下桩筏基础的动力响应

对瑞利波作用下桩筏基础的动力响应进行了数值分析。采用薄层元素法和有限单元法建立了土-桩筏基础动力相互作用的分析模型,并讨论了桩筏基础在瑞利波作用下的水平与摇摆动力响应。讨论了一些重要参数(如桩长、桩距、桩的刚度以及土的泊松比等)对桩筏基础的动力响应的影响。结果表明:不考虑筏板-土相互作用,基础的动力响应在高频区域会产生较大的差别;在瑞利波作用下,桩筏基础会产生显著的摇摆响应,且桩距、桩长和土的泊松比对其影响较大,而桩土刚度比对其影响较小。     

桩-土-结构相互作用对结构弹塑性变形特性的影响

在桩-土-结构弹塑性动力相互作用模型研究的基础上,设计了考虑场地类别、输入地震动等因素的基于相互作用模型的多层和高层钢筋混凝土框架结构算例,分析了桩-土-结构相互作用对结构弹塑性变形特性的影响,并与不考虑相互作用的结构底部固端模型的计算结果进行了对比。分析表明:相互作用对结构的弹塑性变形的影响不容忽视,考虑相互作用后梁柱塑性铰出现的程度降低;结构底部位移增加而顶部位移减小;薄弱层的层间位移可能增加而其余层的层间位移则减小。现行的结构弹塑性变形验算方法未考虑土-结构相互作用的做法的合理性值得进一步评判。     

Experimental p-y curves for liquefied soils from centrifuge tests

The present study aims to obtain p-y curves(Winkler spring properties for lateral pile-soil interaction) for liquefied soil from 12 comprehensive centrifuge test cases where pile groups were embedded in liquefiable soil. The p-y curve for fully liquefied soil is back-calculated from the dynamic centrifuge test data using a numerical procedure from the recorded soil response and strain records from the instrumented pile. The p-y curves were obtained for two ground conditions:(a) lateral spreading of liquefied soil, and(b) liquefied soil in level ground. These ground conditions are simulated in the model by having collapsing and non-collapsing intermittent boundaries, which are modelled as quay walls. The p-y curves back-calculated from the centrifuge tests are compared with representative reduced API p-y curves for liquefied soils(known as p-multiplier). The response of p-y curves at full liquefaction is presented and critical observations of lateral pile-soil interaction are discussed. Based on the results of these model tests, guidance for the construction of p-y curves for use in engineering practice is also provided.     

Dynamic pile-soil-pile interaction. Part II: Lateral and seismic response

A simplified three-step procedure is proposed for estimating the dynamic interaction between two vertical piles, subjected either to lateral pile-head loading or to vertically-propagating seismic S-waves. The starting point is the determination of the deflection profile of a solitary pile using any of the established methods available. Physically-motivated approximations are then introduced for the wave field radiating from an oscillating pile and for the effect of this field on an adjacent pile. The procedure is applied in this paper to a flexible pile embedded in a homogeneous stratum. To obtain analytical closed-form results for both pile-head and seismic-type loading pile-soil and soil-pile interaction are accounted for through a single dynamic Winkler model, with realistic frequency-dependent ‘springs’ and ‘dashpots’. Final- and intermediate-step results of the procedure compare favourably with those obtained using rigorous formulations for several pile group configurations. It is shown that, for a homogeneous stratum, pile-to-pile interaction effects are far more significant under head loading than under seismic excitation.     

Flexible support of a pile embedded in unsaturated soil under Rayleigh waves

Under the action of Rayleigh waves, pile head is easy to rotate with a concrete pile cap, and pure fixed-head condition is rarely achieved, which is a common phenomenon for it usually occurs on the precast piles with insufficient anchorage. In addition, the propagation characteristics of Rayleigh wave have been changed significantly due to the existence of capillary pressure and the coupling between phases in unsaturated soil, which significantly affects the pile-soil interaction. In order to study the above problems, a coupled vibration model of unsaturated soil–pile system subjected to Rayleigh waves is established on the basis that the pile cap is equivalent to a rigid mass block. Meanwhile, the soil constitution is simplified to linear-elastic and small deformations are assumed to occur during the vibration phase of soil–pile system. Then, the horizontal dynamic response of a homogeneous free-field unsaturated soil caused by propagating Rayleigh waves is obtained by using operator decomposition theory and variable separation method. The dynamic equilibrium equation of a pile is established by using the dynamic Winkler model and the Timoshenko beam theory, and the analytical solutions of the horizontal displacement, rotation angle, bending moment and shear force of pile body are derived according to the boundary conditions of flexible constraint of pile top. Based on the present solutions, the rationality of the proposed model is verified by comparing with the previous research results. Through parametric study, the influence of rotational stiffness and yield bending moment of pile top on the horizontal dynamic characteristics of Rayleigh waves induced pile is investigated in detailed. The analysis results can be utilized for the seismic design of pile foundation under Rayleigh waves.     

远场地震作用下桩间横向动力相互作用的研究

在远场地震作用下单桩横向地震响应研究的基础上,引入相互作用因子,研究了远场地震作用下成层地基中桩与桩的横向动力相互作用,得到了桩间距、桩土刚度比、桩顶约束条件、瑞利波入射角度、震动频率是影响群桩横向动力相互作用主要因素的结论,为进一步研究远场地震作用下群桩的横向地震响应打下了基础。     

柔性承台板与群桩的竖向动力作用

采用动力文克尔地基模型模拟均质粘弹性土层,推导出了均质土中单桩动阻抗;引用桩-桩动力相互作用因子,得到了刚性承台下群桩的动阻抗;而且建立了柔性承台与桩基础的竖向振动模型,该模型考虑了筏板自身的变形,并导出了其共同作用的运动方程。最后对柔性承台与刚性承台的计算结果作了对比分析。     

高墩梁桥地震响应分析

本文将对两座高墩桥梁的地震响应进行分析,一座是连续-刚构组合梁桥,另一座是刚构桥。这两种是高墩桥梁普遍采用的桥型,对其进行详细的动力分析对此类桥梁的抗震设计具有一定的指导作用。针对这两种桥梁结构,本文首先分析直接影响结构动力响应的自振特性,从中总结高墩桥梁的特点,然后采用反应谱法、时程分析法分析结构地震响应,并对其结果进行比较,同时讨论桩-土相互作用对高墩桥梁地震响应的影响。     

多维地震下考虑桩-土相互作用的曲线桥地震响应分析

为研究曲线桥梁在多维地震激励下考虑桩-土动力相互作用的地震响应特性,本文建立了空间桩-土脱离、摩阻和土体压缩非线性理论分析模型。为简化计算将该非线性弹簧模型进行线性化处理,结合有限元ANSYS分析平台建立了黄土场地的曲线桥仿真分析模型,对考虑桩-土相互作用的曲线桥进行了多维多工况数值分析,对比研究了曲线主梁跨中弯矩、墩底剪力和弯矩及桥墩顶位移的地震响应。结果表明:考虑桩-土相互作用的曲线桥梁主梁跨中内力与地震波输入方向密切相关,三维地震作用下主梁内力最大;各工况地震荷载作用下桥墩底部径向剪力响应比切向剪力响应大很多,而桥墩径向弯矩比切向弯矩略小;同一工况下不同桥墩顶切向位移响应大小相当,而径向位移差异较大。在进行非规则曲线桥梁抗震设计时,应充分考虑多维和单维地震激励输入工况。