海上风电工程基础结构抗震性能研究

为了探讨海上风电工程基础与结构体系的抗震性能,采用ANSYS程序建立了三种基础型式的风电塔架结构数值模型,先采用振型分解反应谱法计算了结构的地震响应,进而分别将传统地震动和最不利地震动作为输入地震动,分析了三种基础结构体系的最大地震响应。结果显示:风电结构属典型的长周期结构,基础型式对结构的振动周期影响明显,单立柱桩式结构振动周期最长,八桩承台结构振动周期最短。地震作用下,单立柱桩结构的顶端位移响应也最大;振型反应谱法与传统地震动作用下结构的响应满足现行建筑抗震规范的要求,但最不利地震作用下结构的位移响应偏大,不满足规范对位移的相关规定;组合三桩结构底部基础与结构连接处是应力集中区。海上风电工程结构抗震设计的重要性应引起充分重视。     

地震动对锚索桩的响应特性研究

汶川地震震害调查表明使用预应力锚索的桩板墙变形协调性好,抗震性能高,但目前在预应力锚索桩板墙的抗震设计理论研究方面仍比较落后。鉴于此,利用FLAC3D对预应力锚索桩板墙的地震响应特征进行研究,包括桩身土压力分布、桩身变位及锚索内锚段应力的动力响应特性等,并通过改变地震动参数进行多种工况的分析,系统研究地震动参数对桩-土-锚动力耦合相互作用规律的影响。研究成果可加强对预应力锚索桩板墙抗震表现的认识,也为深化抗震机理研究提供可靠的依据。     

地震作用下液化场地变截面桩与等截面桩的动力响应对比分析

为研究液化场地变截面桩的动力响应,依托翔安大桥实体工程,采用有限元软件,建立变截面桩－土和等截面桩－土相互作用模型,模拟液化场地变截面桩及等截面桩在地震作用下的振动反应,分析在地震作用下变截面位置不同的变截面桩及等截面桩的动力响应特征。结果表明:地震作用下,液化土层不同深度处的孔压比变化规律基本相同,均从0逐渐增大最后趋于稳定;变截面桩的桩身加速度和桩身位移均大于等截面桩,且桩顶加速度峰值出现的时刻均滞后于桩底;在饱和砂土层处,桩身位移变化趋势均较陡;变截面桩的桩身弯矩峰值和桩身剪力峰值均大于等截面桩,且其峰值出现的位置较等截面桩深;地震作用下,变截面桩及等截面桩的弯矩与剪力均在安全范围之内;液化场地变截面梁桥桩基础抗震设计时,应着重分析液化土层与非液化土层分界面以下的抗弯能力设计及液化土层中抗剪能力设计。     

叉桩布置对高桩码头地震动力反应的影响

为了解叉桩对码头抗震性能的影响作用,建立高桩码头结构动力有限元模型,以全直桩高桩码头、美国Okland港第七街高桩码头和霍华德高桩码头为算例,研究全直桩码头、叉桩承台码头、叉桩置于全直桩码头后方这三种码头结构型式的地震反应,在此基础上提出设计建议.分析结果表明,全直桩码头结构柔度大,延性好,内力分配相对均匀,可通过大变形吸收地震能量,抗震性能较好;叉桩置于码头承台时,码头结构刚度相对较大,使叉桩节点易于发生破坏;叉桩置于全直桩码头后方时,叉桩可阻挡部分地震波的传播,降低码头结构刚度,减小码头桩周土弱化程度,全直桩码头结构的抗震性能显著提高.     

饱和砂土中两桩承台群桩横向动力响应规律研究

两桩承台群桩结构在桥梁和水利工程中应用较多,在饱和砂土中两桩承台直群桩和斜群桩的动力响应规律是值得深入研究的课题。本文基于两直桩和两斜桩承台结构振动台试验,将典型试验结果与OpenSees有限元软件建立的三维数值模型计算结果进行对比研究,验证模型的准确性;在此基础上,采用本文所建立的三维数值模型,开展不同频率正弦波输入下的两桩承台群桩横向动力响应规律研究,并将数值分析结果与已有试验结果进行对比分析。结果表明:两桩承台群桩的试验和模拟的加速度时程曲线、位移时程曲线、孔压变化规律和峰值大小基本吻合;在饱和砂土中相同工况下两桩承台直群桩的放大效应要明显高于两桩承台斜群桩,承台的放大值比较明显;不同频率正弦波下液化砂土的两桩承台群桩在台面位置的加速度峰值和位移峰值相差不大,放大倍数随着频率的升高有一定程度的增长;在饱和砂土中不同频率正弦波输入下两桩承台斜群桩表现出一定的优势。研究成果为饱和砂土中桩基抗震设计提供一定的理论参考。     

某桥梁桩基础的抗震计算研究

当前桩基础的抗震设计仅采取构造措施来保证其抗震性能,有可能会过高或过低地估计桩基础的抗震性能。针对某桥梁桩基础的抗震设计,建立全桥的三维有限元模型,计算在桩-土-结构共同工作情况下桩基础的地震响应,通过输入不同地震波来进行对比分析,并对结果进行复核,得出:(1)桩身内力响应与所输入地震动的频谱特性有关,桩身沿横桥方向的内力最大;(2)对于该场地的桥梁桩基础,桩-土-结构共同工作的有限元分析结果与m法结果差别不大;(3)当承台埋深为0时,桩身内力基本都偏大,要对承台侧土体做相应的加固处理。     

地震下考虑桩-土-结构相互作用的输电塔-线体系响应分析

本文研究了考虑桩-土-结构相互作用的输电塔-线体系在地震作用下的响应。根据实际工程,采用ABAQUS有限元软件,建立了考虑桩-土-结构相互作用效应的输电塔-线体系有限元模型。选取不同场地类型下的12条天然地震波,研究了不同地震波激励下考虑桩-土-结构相互作用效应输电塔-线体系动力响应。通过与考虑刚性基础的输电塔-线体系动力响应对比,得到了输电塔的薄弱位置,并提出了基于刚性基础的输电塔抗震放大系数,可为输电塔抗震设计提供参考。     

单桩-土-结构振动台试验模型数值计算分析

为研究地震荷载作用下桩基-土-核电结构的抗震性能及土结动力反应规律,对拟开展的地震模拟振动试验模型进行数值计算分析。核电工程结构上部质量大和刚度大,试验模型不同于一般的工程结构,为检验振动台试验模型设计、传感器布设方案,对试验模型进行了数值模拟。数值模拟以单端承桩为研究对象,计算了上部结构质量和刚度变化时,在脉冲荷载及基于RG1.60谱人工合成地震动作用下桩身的地震反应规律。数值模拟表明:在水平地震动作用下,桩身剪力和弯矩包络线呈"X"状分布,桩底和顶处剪力弯矩较大;上部结构质量越大,桩身的剪力与弯矩越大;上部结构的刚度越大,桩身的剪力与弯矩越小;随着上部结构质量的增大和刚度的减小,反弯点逐渐向桩顶移动。桩顶发生最大位移时所对应的桩身挠度随着上部结构质量的增加而增大并且随着上部结构刚度的增大而减小。土层分界面处,桩身内力发生突变。此外,在脉冲荷载输入下,桩身反弯点位置与输入荷载的周期有关。计算结果为振动台试验模型设计提供了理论依据。     

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。     

地震作用下可液化土层水平受荷桩基力学响应分析

地震作用下可液化场地桩土相互作用研究是解决可液化场地桩基抗震问题的有效途径。本文基于p-y曲线方法,通过Cu因子法建立地震过程中可液化地层的典型p-y曲线模型。结合有限差分原理,建立了水平受荷单桩在地震作用下的水平附加响应计算方法,通过实例验证了该计算方法的合理性。最后控制变量,利用该方法进行了一系列的参数分析。研究结果表明:可液化地层厚度、桩基受荷水平和液化程度对于地震液化引起的受荷桩基水平附加响应的影响都较为显著;桩身附加挠度和附加弯矩均随着受荷载水平或液化程度的增大而呈非线性形式增大,且受荷水平或液化程度越高,增长速率越大。     

承台高度变化对桥梁墩桩抗震性能的影响

以寿江大桥为研究对象,为研究承台高度变化对桥梁墩桩抗震性能的影响,采用规范公式计算和地震反应分析的方法,对寿江大桥在强震作用下的墩桩承载力进行分析。研究表明,原设计情况下,桥梁4、5#桥墩及其桩基在强震作用下承载力满足规范要求。变更设计承台提升14 m,设计基于现行规范地震烈度8度是满足要求的,但是4、5#桥墩对应的桩基在强震作用下(汶川地震重现的地震)都将发生受弯破坏,提出了桥梁设计相应抗震对策。对承台高度分别提升3 m、6 m、9 m、14 m进行桥梁墩桩地震反应分析,表明承台高度提升后桥梁抗震性能有所下降。研究为强震易发地区的高桩承台桥梁设计提供重要参考。     

群桩-土-墩柱相互作用体系抗震性能试验及数值模拟研究

为进一步研究土-结构相互作用(SSI)体系的抗震性能,以1∶4比例尺桥梁墩柱模型为试验对象,考虑土-结构相互作用,通过拟静力试验观察了试验现象,得到了模型滞回曲线、耗能能力等数据。通过有限元软件ABAQUS建立了与试验情况相同的有限元模型,并分析计算。建模分析结果与试验结果一致,在此基础上,以本模型为对象进行了地震反应时程分析,得到了不同地基条件下的位移时程曲线及桩身应力、桩身位移响应曲线,并用m法对比计算桩的位移响应曲线。分析结果表明:不同地基条件下群桩-土-刚度较大墩柱结构体系破坏形式不同;在地震作用下,短桩基础在桩的中段处应力达到最大值,有必要在此处予以加强;在地震作用较大时,m法计算的桩顶位移偏小,且m法无法计入群桩效应,可能导致群桩基础内力的计算偏于不安全,建议予以重视。     

煤层冲刷带地震响应特征及其与煤层瓦斯突出的相关性分析

阳泉新景煤矿生产实践发现3#煤层发生的煤与瓦斯突出事故大部分位于煤层冲刷带.三维地震勘探记录地层连续性好、控制精度高,是识别煤层冲刷带最常用的技术手段.本文以新景矿芦南二区为研究区,建立二维正演模型,研究煤层的地震响应规律,发现其振幅和相位属性对煤层冲刷带响应明显.利用该区现有的三维地震资料,综合瞬时振幅属性特征、地震相分类特征及声波阻抗响应特征,圈定冲刷带平面位置及分布范围.运用有限元分析软件对煤层冲刷带应力分布进行三维正演模拟,结合煤样测试结果,对区内应力异常带的煤层瓦斯和煤体结构等进行分析.研究发现煤层冲刷带过渡区段突出危险性最大,是圈定冲刷带的关键部位,研究成果与实际突(喷)出点位置吻合度较高.总之:1)煤层冲刷作用是导致瓦斯地质条件差异性的主要因素之一,过渡区段为重点防突区域;2)综合多种地震岩性信息响应特征在准确识别煤层冲刷带位置及分布范围方面效果显著.     

不同厚度饱和砂土中群桩结构动力响应试验研究

液化土中桩基础动力响应规律一直是工程抗震领域关注的热点问题。本文基于非液化砂土和不同厚度饱和砂土中的2×2群桩结构模型振动台试验,通过输入一定峰值加速度和频率的正弦波,对群桩在非液化土层和两种不同厚度饱和砂土层中的横向动力响应特性进行振动台试验研究。研究结果表明:在正弦波输入情况下,非液化砂土中群桩承台加速度和位移时程与台面输入时程相比,波形变化规律与峰值大小均相差不大;而对两种不同厚度饱和砂土中承台加速度和位移峰值放大较多,在相对较薄的饱和砂土中群桩承台加速度峰值较台面输入放大了1.83倍,较台面输出位移峰值放大了1.58倍;在相对较厚的饱和砂土中承台加速度和位移峰值则分别放大了2.18倍和1.91倍,说明在相同输入条件下,较厚的饱和砂土在发生液化后群桩承台的动力响应更加显著。     

大直径扩底灌注桩的地震反应特性

大直径扩底桩的地震反应分析对其抗震设计至关重要。本文采用ABAQUS有限元程序建立地震荷载作用下扩底桩-土-结构和普通等直径桩-土-结构动力相互作用体的三维有限元模型,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Drucker-Prager弹塑性模型以考虑土体的非线性,桩体采用线弹性模型,桩与桩周土之间设置非线性接触。输入Imperial Vally地震波,对两种桩基的地震反应进行了数值计算,分析了桩土模量比、软夹层、上部质量等因素对桩基地震反应的影响。结果表明:与普通等直径桩相比,扩底桩的抗震性能没有明显提高,扩底直径对抗震性能影响不大,增大扩底桩直径,并不能提高扩底桩的抗震性能;上部结构的质量及桩土模量比对桩基的动力响应影响显著。     

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。     

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。     

地震作用下预应力混凝土管桩运动响应三维数值分析

基于黏弹性人工边界,建立上部结构-桩-土的共同作用三维有限元模型,分析地震作用下预应力混凝土管桩的运动响应特性。分别针对预应力混凝土管桩的桩径、双层软硬土剪切波速比值、上覆土层厚度、上部结构荷载等影响因素进行数值计算。参数分析表明:在地震作用下,桩径的增大会导致桩身整体弯矩相应增加,特别是桩身土层分界面处增大明显;软硬土层剪切波速比及上覆土层厚度的增加,引起土层分界面处桩身峰值弯矩增加;固定桩头条件下,桩头与桩身软硬土层分界面处均会产生较大的运动弯矩;上部结构的惯性荷载对固定桩头的内力有着较大影响,对桩身深处段弯矩影响较小。本文研究结论可为预应力混凝土管桩抗震设计提供有益的理论参考。     

地震作用下群桩水平动力响应特性及P-Y曲线试验研究

目前地震作用下桩基水平动力响应一直是岩土工程界和地震工程领域关注的热点研究问题之一。本文基于振动台试验,通过不同的台面输入波形,引入FBG传感系统对土-群桩—承台结构水平动力响应特性及P-Y曲线主干线变化规律进行研究,并将群桩中各基桩和单桩P-Y曲线主干线与API规范推荐方法进行对比研究。结果表明：对于非液化土试验,各承台的加速度和位移较台面放大倍数普遍不大;饱和砂土试验单桩承台加速度和位移比群桩大2~3倍,群桩承台加速度和位移幅值分别是非液化土的2~3倍;非液化土试验桩基P-Y曲线主干线倾斜度与API规范方法符合较好,而饱和砂土中无论是单桩还是群桩P-Y主干线均需将API规范方法进行适当的折减。     

地震作用下群桩水平动力响应特性及P-Y曲线试验研究

目前地震作用下桩基水平动力响应一直是岩土工程界和地震工程领域关注的热点研究问题之一。本文基于振动台试验,通过不同的台面输入波形,引入FBG传感系统对土-群桩—承台结构水平动力响应特性及P-Y曲线主干线变化规律进行研究,并将群桩中各基桩和单桩P-Y曲线主干线与API规范推荐方法进行对比研究。结果表明：对于非液化土试验,各承台的加速度和位移较台面放大倍数普遍不大;饱和砂土试验单桩承台加速度和位移比群桩大2~3倍,群桩承台加速度和位移幅值分别是非液化土的2~3倍;非液化土试验桩基P-Y曲线主干线倾斜度与API规范方法符合较好,而饱和砂土中无论是单桩还是群桩P-Y主干线均需将API规范方法进行适当的折减。