地震-列车移动荷载耦合作用下高铁路基振动特性研究

基于轨道结构-路基-地基动力相互作用理论,建立考虑地震-列车移动荷载耦合输入的轨道结构-路基-地基动力学模型,研究高速铁路路基及轨道在耦合荷载作用下的振动响应问题。通过编制DLOAD子程序并与ABAQUS有限元计算程序联立,实现地震荷载与列车移动荷载耦合作用的施加,以高速铁路桩承式路基及自由式路基为研究对象,对地震-列车移动荷载耦合作用下两种路基系统的动力响应进行数值计算并比较两者的振动响应差异。结果表明,耦合荷载对桩承式路基动力响应影响显著,该荷载作用下桩承式路基会发生共振现象,使得桩承式路基中轨道和路基振动位移幅值均大于自由式路基的振动位移幅值;桩承式路基不会影响路基系统的振动频率,但会改变路基系统的振动大小,桩承式路基中轨道X方向加速度、路肩边及路基坡脚处的竖向加速度分别减小6.2%、50%、28.6%。     

高速铁路弹塑性路基及轨道的地震反应特性研究

高铁列车运行时突发地震会对路基及轨道产生振动危害,严重影响列车的安全运行。为此,文中建立轨道系统-弹塑性路基-地基三维精细化有限元模型,分析高速铁路弹塑性路基和轨道在不同列车速度v(50、70、100、130 m·s~(-1))下的地震反应特性,结果表明:地震与列车共同作用下,路基和轨道的位移振幅主要受地震作用影响,而车速变化对路基位移幅值的作用较弱,对轨道的作用较强;地震发生时,列车以不同车速运行会对路基和轨道的频谱曲线产生不同程度的波动影响,其中在车速50 m·s~(-1)时波动最为剧烈,且总体向高频移动,并出现多个振动主频,此时路基和轨道的加速度峰值分别为单独移动荷载的2.3和1.3倍,路基及轨道加速度显著提高;地震作用下,列车的脱轨系数与横向位移在车速50 m·s~(-1)时显著增大,超过列车安全运行的标准;推测车速50 m·s~(-1)(180 km·h~(-1))为列车脱轨的临界速度。     

不同设计参数对高桩码头损伤和破坏特性的影响

基于相同结构不同设计参数的高桩码头建立计算模型,研究两种结构自身动力特性的差异以及在地震作用下抗震性能的差异。研究表明:在相同荷载条件、场地条件、材料用量的前提下六桩码头的刚度要大于八桩码头;天津波作用下六桩码头的桩身加速度响应较大,且两种结构桩身加速度差异值随着震度的增大而增大;在相同峰值的罕遇地震下六桩码头的桩顶位移响应要小于八桩码头,而其残余位移要大于八桩码头;相同荷载条件下八桩码头的延性能力明显强于六桩码头,其极限塑性率是六桩码头极限塑性率的2.28倍;八桩码头在峰值加速度为800gal地震作用下达到极限曲率,六桩码头在峰值加速度为1 150gal的地震作用下达到极限曲率。     

地震荷载作用下加筋土挡墙动力特性分析

利用有限元软件对加筋土挡墙在地震荷载作用下的动力特性进行模拟分析,重点分析其在不同加筋长度、加筋间距以及峰值加速度条件下的动力响应特性。通过有限元分析一个高6m、底部为基础土的加筋土挡墙在地震荷载作用下的行为,针对理想化墙体研究加筋土挡墙的某些动力特性。模拟计算结果表明加筋土挡墙的加筋长度、加筋间距以及峰值加速度的变化对其水平位移、沉降及受力有较大影响。采用长度大的加筋材料可以有效减小加筋土挡墙的水平位移,但这样将导致加筋拉伸荷载的增大,同时也将导致加筋土挡墙的隆起增大。峰值加速度的大小对加筋土挡墙的水平位移有很大影响,当峰值加速度增大时水平位移也随之增大,但并不呈线性增长关系。减小加筋间距会有效地限制加筋土挡墙面板整体的水平位移,但在一定范围内减小加筋间距也会使加筋区域内土体底部挡墙的水平位移出现相对增大的现象,因此通过减小加筋间距来限制加筋土挡墙的位移在一定程度上具有局限性。     

深厚软弱地基上相邻桩箱基础高层建筑地震反应的数值模拟

采用二维有限元整体分析法对深厚软弱地基上相邻的双幢桩箱基础高层建筑的地震反应进行了数值模拟，探讨了SSI效应对双幢高层建筑地震反应的影响规律；并分析了深厚软弱地基上双幢高层建筑和单幢高层建筑地震反应之间的差异。一般地，SSI效应使深厚软弱地基上相邻的双幢高层建筑各楼层的绝对加速度反应要比单幢高层建筑的反应略小一些，但也可能使双幢高层建筑中部楼层的绝对加速度反应大于单幢高层建筑的反应。与此相反，SSI效应一般使相邻的双幢高层建筑各楼层的相对位移反应有所增大；但也可能使双幢高层建筑各楼层的相对位移反应有所减小，两者的差异与场地条件、输入地震动特性有关。此外，还探讨了双幢高层建筑的间距对其地震反应的影响。随着间距的增大，双幢高层建筑的地震反应趋近于单幢高层建筑的反应。输入加速度峰值越大，场地土越软，相邻的双幢高层建筑的间距对其地震反应的影响越大。     

移动荷载作用下土体动力反应数值模拟

在研究轨道振动荷载的产生机理基础上,归纳出一个能够涵盖速度、线路不平顺、轮重、轨枕对轮载的分散作用等因素在内的轨道荷载解析表达式,以此作为输入施加到土体模型上,利用ANSYS模拟地基土在轨道移动荷载作用下的三维瞬态弹塑性反应。通过计算得到土体不同位置位移和加速度时程曲线,并得出如下结论:荷载刚施加时地面位移会有一个突变,但是随着荷载的移动会达到一个稳定值,并随着水平面内远离轨道,该值逐渐衰减;荷载刚刚施加时加速度会有一个突变值,随着荷载的移动逐渐趋于零。轨道机车速度对竖向方向的位移和加速度影响不大。     

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。     

高速铁路桥梁-桥墩-桩基础-地基耦合系统的地震反应

高速铁路中的桥梁常采用灌注桩基础以控制沉降,地震作用是桩基础的设计工况之一。建立桥梁-桥墩-桩基础-地基为一体的耦合系统非线性三维数值分析模型,以典型地震波为输入,考虑上部结构和基础的共同工作、土-结构动力相互作用、材料非线性和土层对桩的侧阻及端阻作用,开展三向地震作用下的动力有限元计算,并对地基主要土层压缩模量、桩体材料弹性模量、桩径和桩长进行参数敏感性分析。计算结果表明:现行的桩基础设计方案能有效控制地震荷载作用下桥梁的变形;地震过程中的不同时刻,桩侧阻发挥程度不同且不可忽略,以单纯的梁单元模拟桩的动力学行为的适用性值得商榷;桩长和地基主要土层压缩模量对桥梁地震反应影响最大,桩体材料弹性模量的影响次之,桩径的影响最小。     

深厚软弱地基上桩箱基础高层建筑地震反应特性数值模拟

根据土体—结构体系整体分析方法，以某26层桩箱基础框架—剪力墙高层建筑为例，探讨了深厚软弱地基与输入地震动特性对桩箱基础高层建筑地震反应的影响。通过数值模拟，得到以下结论：地震作用下高层建筑的地震反应与建筑物的地基条件与输入的振动特性等因素有关。一般地，SSI效应使上部结构的绝对加速度反应减小，但当输入加速度峰值较低时，建筑物部分楼层的绝对加速度反应有可能增大。在给定的输入地震动作用下，SSI效应使上部结构的楼层相对位移增大，但也可能存在减小的情况。分析结果表明：SSI效应对深厚软弱地基上桩箱基础高层建筑地震反应有很大的影响，在此类建筑的抗震分析中考虑SSI效应的影响是必要的。     

高速铁路桩板结构对瑞利波的被动隔震试验研究

为研究高速铁路桩板结构被动隔震效果,以减震率作为隔震性能评价指标。通过模型试验分析不同几何参数的桩板结构隔震性能,并绘制减震率等值线图以描述其隔震区域。基于试验得到以下结论：桩板结构可以有效阻隔瑞利波,增加桩长、桩径和承载板厚度,并减小埋深与桩间距,可以提高隔震性能并增大有效隔震面积。减震率增长幅度随桩长、桩径和承载板厚度增大而减小,故桩径和桩间距参数宜控制在0.33至0.67之间,桩长参数宜控制在0.40至0.80之间,且应尽可能减小埋深。当砼使用方量相同时,隔震效果从强到弱依次为：桩长、承载板厚度和桩径。     

水平地震作用下黄土多级高填方边坡动力响应规律及稳定性分析

为研究水平地震作用下黄土多级高填方边坡动力响应规律及稳定性，本文以某高填方边坡工程为背景，利用GeoStudio2012有限元分析软件建立模型进行分析，并对比分析多级高填方边坡与单级填方边坡动力响应结果。计算结果表明，边坡坡面和挖填交界面上动力响应规律表现为:位移幅值基本随着高程的增加而增加；速度幅值随着高程的增加先增大后减小再增大；加速度幅值随着高程的增加有减小趋势；多级高填方边坡动力响应规律与单级填方边坡动力响应规律不同，单级填方边坡位移幅值、速度幅值、加速度幅值均随着高程的增加递增；地震波在坡体内传播时，随着高程的增加具有滞后性。边坡稳定性随着地震加速度峰值的增大有所下降，相比静力作用，水平地震作用下边坡稳定性下降明显。本文相关研究可为西北地区黄土高填方边坡工程抗震提供一定理论依据。     

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。     

Shake table test of soil-pile groups-bridge structure interaction in liquefiable ground

<正>This paper describes a shake table test study on the seismic response of low-cap pile groups and a bridge structure in liquefiable ground.The soil profile,contained in a large-scale laminar shear box,consisted of a horizontally saturated sand layer overlaid with a silty clay layer,with the simulated low-cap pile groups embedded.The container was excited in three E1 Centra earthquake events of different levels.Test results indicate that excessive pore pressure(EPP) during slight shaking only slightly accumulated,and the accumulation mainly occurred during strong shaking.The EPP was gradually enhanced as the amplitude and duration of the input acceleration increased.The acceleration response of the sand was remarkably influenced by soil liquefaction.As soil liquefaction occurred,the peak sand displacement gradually lagged behind the input acceleration;meanwhile,the sand displacement exhibited an increasing effect on the bending moment of the pile,and acceleration responses of the pile and the sand layer gradually changed from decreasing to increasing in the vertical direction from the bottom to the top.A jump variation of the bending moment on the pile was observed near the soil interface in all three input earthquake events.It is thought that the shake table tests could provide the groundwork for further seismic performance studies of low-cap pile groups used in bridges located on liquefiable groun.     

土-结构动力相互作用及基础形式对超大型冷却塔结构地震反应的影响分析

采用ABAQUS有限元分析软件,分别对基于刚性地基假定的环板基础、考虑土-结构动力相互作用的环板基础和桩基础超大型冷却塔模型进行了模态分析、弹性和弹塑性时程分析,研究了土-结构动力相互作用和基础形式对超大型冷却塔结构动力特性和地震反应的影响。结果表明:当考虑相同阶数的振型时,刚性地基模型的振型参与质量系数最小。地震作用下,刚性地基模型和桩基础模型的加速度响应、支柱内力、塔壳混凝土主应力等一般比考虑土-结构动力相互作用的环板基础模型偏大,但塔顶水平位移偏小。土-结构动力相互作用比基础形式对冷却塔动力特性以及地震反应的影响更大,且二者对冷却塔竖向振动的影响比水平向大。三种模型计算所获得的冷却塔薄弱部位均集中于支柱,且支柱最大侧移角相差不大。     

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。     

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。     

考虑冲刷作用效应桥梁桩基地震易损性分析

冲刷造成桩周土体的剥蚀将会削弱土体对桩基的侧向支撑能力,冲刷效应会对桥梁桩基的地震易损性产生影响,因此有必要对冲刷和地震共同作用下桥梁桩基的易损性进行研究。利用SAP2000软件建立三维桥梁有限元模型,通过非线性时程分析得到桥梁桩基地震响应峰值。采用概率性地震需求分析方法,建立不同冲刷深度下桥梁桩基地震易损性模型,在地震易损性函数假设为对数正态分布函数的基础上,通过回归分析得到概率模型中的参数,进而得到不同冲刷深度下桥梁桩基在不同破坏状态所对应的地震易损性曲线,并分析冲刷深度对桩基破坏概率的影响。研究结果表明:随着冲刷深度的增加,桥梁桩基在地震作用下的破坏概率显著增加。     

A parametric study of seismic behavior of roller seismic isolation bearings for highway bridges

A roller seismic isolation bearing is proposed for use in highway bridges. The bearing utilizes a rolling mechanism to achieve seismic isolation and has a zero post‐elastic stiffness under horizontal ground motions, a self‐centering capability, and unique friction devices for supplemental energy dissipation. The objectives of this research are to investigate the seismic behavior of the proposed bearing using parametric studies (1) with nonlinear response history analysis and (2) with equivalent linear analysis according to the AASHTO guide specifications, and by comparing the results from both analysis methods (3) to evaluate the accuracy of the AASHTO equivalent linear method for predicting the peak displacement of the proposed bearing during an earthquake. Twenty‐eight ground motions are used in the studies. The parameters examined are the sloping angle of the intermediate plate of the bearing, the amount of friction force for supplemental energy dissipation, and the peak ground acceleration levels of the ground motions. The peak displacement and base shear of the bearing are calculated. Results of the studies show that a larger sloping angle does not reduce the peak displacement for most of the parametric combinations without friction devices. However, for parametric combinations with friction devices, it allows for the use of a higher friction force, which effectively reduces the peak displacement, while keeping a self‐centering capability. The AASHTO equivalent linear method may underestimate the peak displacement by as much as 40%. Vertical ground motions have little effect on the peak displacement, but significantly increase the peak base shear. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.