波浪作用对单柱式桥墩地震反应特性的影响

以ABAQUS有限元软件为计算平台,建立了考虑波浪作用影响的单柱式桥墩-桩-土体系非线性地震反应分析二维有限元模型,土体以四节点实体单元离散,采用土体粘塑性记忆型嵌套面本构模型描述土的动力特性;桥墩以及桩以两节点梁单元离散,采用动塑性损伤模型描述混凝土的动力特性;根据Stokes五阶波浪理论,将基于Morison公式计算所得的波浪力以分布力的形式施加于桥墩之上,比较了静水条件下和考虑波浪作用时不同地震动激励下单柱式桥墩结构的地震反应特性,结果表明:波浪作用的影响使桥墩墩身相对墩底的位移反应、桥墩墩底的剪力和弯矩反应有较明显的增大,但对桥墩墩身加速度反应的影响可忽略不计,波浪作用影响的大小与输入地震动特性有关.在单柱式桥墩的抗震设计中考虑波浪作用的影响是必要的。     

考虑动水压力影响的单柱式桥墩地震反应分析

在Morison方程的基础上,用附加水质量法考虑动水压力对桥墩的影响,以单柱式桥墩为研究对象,以ABAQUS有限元软件为计算平台,建立了考虑桩-土动力相互作用的单柱式桥墩地震反应分析模型,考虑土体和桥墩混凝土的动力非线性特征,分析了地震动作用下动水压力对单柱式桥墩的墩顶相对墩底位移、加速度、剪力和弯矩反应的影响,并探讨了水位对单柱式桥墩地震反应特性的影响。结果表明:动水压力改变桥墩的地震反应特性,增大了桥墩顶部相对底部的位移、墩顶绝对加速度和墩底的内力,水位变化影响桥墩的地震反应特性。对于深水桥墩抗震设计计算,考虑动水压力效应、水位变化是有必要的。     

深厚场地上特大桥墩-群桩-土相互作用体系地震反应特性的二维和三维分析

本文以某特大型跨江大桥主墩为研究对象,对相应于抗震设防水准为1000a和2500a地震重现期的6条人工地震波,首先采用一维波动模型分析了主桥墩场地的地震动效应,进而,采用二维整体有限元法和三维子结构有限元法对特大桥墩-群桩-土相互作用体系的地震反应进行了数值计算,分析了桩体不同深度处的地震加速度反应峰值、反应谱特征,探讨了深厚软弱场地上特大桥墩-群桩-土动力相互作用效应对群桩地震反应的影响。结果表明：桥墩场地的深厚软弱覆盖层对输入地震波具有明显的滤波和放大效应;由于特大桥墩-群桩-土体动力相互作用的影响,二维和三维计算得到的桩体加速度反应峰值较同高程处的自由场加速度反应大,且两者的频谱特性有显著的差别,群桩加速度反应峰值的空间分布与输入地震波特性有很大关系,不同桩在同一高程处的加速度反应峰值可能相差20％以上;二维和三维地震反应分析结果之间存在一定的差距,群桩中桩体的加速度反应峰值平均相差10％-25％左右,但两种方法得到的加速度反应峰值沿高程的分布具有相似的规律性。     

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.     

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。     

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。     

液化微倾场地群桩-土动力相互作用p-y曲线特性

基于OpenSees计算软件建立液化微倾场地群桩-土动力相互作用有限元模型,分析液化微倾场地饱和砂土p-y曲线特性,系统研究了场地倾斜角度、桩径、地震作用幅值和基桩位置对饱和砂土动力p-y曲线特性影响。研究表明:土体即将液化时,桩基土反力达到峰值;土体液化后,土体表现出了流体特性;土反力峰值、桩土相对位移峰值和初始刚度随场地倾斜角度增加而增大;桩径越大,液化砂土的耗能效应越明显;随着地震作用幅值的增加,桩土相对位移峰值和土反力峰值也随之增加;液化微倾场地上坡桩受到的土体侧向流动力大于下坡桩。     

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。     

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。     

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。     

Seismic response of tall building considering soil-pile-structure interaction

The seismic behavior of tall buildings can be greatly affected by non-linear soil-pile interaction during strong earthquakes. In this study a 20-storey building is examined as a typical structure supported on a pile foundation for different conditions: (1) rigid base, i.e. no deformation in the foundation: (2) linear soil-pile system; and (3) nonlinear soil-pile system. The effects of pile foundation displacements on the behavior of tall building are investigated, and compared with the behavior of buildings supported on shallow foundation. With a model of non-reflective boundary between the near field and far field, Novak’s method of soil-pile interaction is improved. The computation method for vibration of pile foundations and DYNAN computer program are introduced comprehensively. A series of dynamic experiments have been done on full-scale piles, including single pile and group, linear vibration and nonlinear vibration, to verify the validity of boundary zone model.     

Research on Dynamic Interaction Characteristics of Soil-pile-steel Frame Structure

利用振动台模型试验和有限元数值模拟的方法对土质地基-群桩-钢框架结构体系动力相互作用的规律和特征进行研究,并讨论了基桩长径比对于体系动力相互作用特征的影响。试验地基土体模型为均匀粉质黏土,剪切波速约为213 m/s;群桩基础由9根长2.0 m、直径0.1 m的基桩3×3对称布置;上部结构模型简化为三层钢框架结构。本文研究结果表明:土-桩-钢框架结构体系的阻尼比相较固定基础情形有所增加,输入相同地震动时其地震反应小于固定基础情形;动力相互作用体系中运动相互作用的贡献与惯性相互作用相当,不应忽略;随着基桩长径比的增大,运动相互作用增大,钢框架结构的加速度反应增大。     

Dynamic characteristics of lateral load-deflection relationships of flexible piles

Most offshore platforms are supported on long and large-diameter piles with variable wall-thickness along the length, and soil properties varying with depth. The design and analyses of these piles are made by modelling the soil-pile system with a beam-on-Winkler foundation. Therefore, evaluation of appropriate soil-pile springs for use in such analyses is a matter of concern. Fundamental characteristics of dynamic lateral load-deflection relationships for piles were studied analytically considering the soil-pile-structure interaction under seismic loading conditions. The soil layer was assumed homogeneous, linearly elastic with hysteretic type material damping, and overlying a rigid base. A superstructure with multi-degrees of freedom was supported by a single vertical pile hinged at the rigid base. Parametric studies were carried out to identify the influence of the system parameters on the behaviour of the dynamic lateral load-deflection relationships of piles. The lateral load-deflection relationships vary considerably with depth and are influenced not only by the dynamic properties of soil but also by the structural properties of a pile and loading conditions. These lateral load-deflection relationships can be used to define the soil-pile springs for the seismic response analysis of a soil-pile-structure system, and the results can be extended to problems with soil profiles with layering and non-linearity.     

液化场地桥梁群桩-土耦合体系强震反应分析

针对振动台试验,采用u-p形式控制方程表述饱和砂土的动力属性,选用土的多屈服面塑性本构模型刻画饱和砂土和黏土的力学特性,引入非线性梁-柱单元模拟桩,建立试验受控条件下液化场地群桩-土强震相互作用分析的三维有限元模型,并通过试验结果验证数值建模途径与模拟方法的正确性。以实际工程中常用的2×2群桩为例,建立桩-土-桥梁结构强震反应分析三维有限元模型。基于此,针对不同群桩基础配置对液化场地群桩-土强震相互作用影响展开具体分析。对比发现,桩的数量相同时,桩排列方向与地震波输入方向平行时比垂直时桩基受力减小5%~10%,而对场地液化情况无明显影响;相同排列形式下,三桩模型中土体出现液化的时间约比双桩模型延缓5s,桩上弯矩和剪力减小33%~38%。由此可见,桩基数量增加,桩-土体系整体刚度更大,场地抗液化性能显著,桩基对上部桥梁结构的承载性能明显增强,其安全性与可靠性更高。这对实际桥梁工程抗震设计具有一定的借鉴意义。     

承台型式对可液化场地桥梁桩-柱墩地震响应影响振动台试验

基于相同土层结构地基条件下,分别采用低承台群桩-独柱墩与高承台群桩-独柱墩结构,完成了两次可液化场地群桩-土-桥梁结构地震反应振动台试验,据此研究了承台型式对桥梁桩-柱墩地震反应的影响。研究表明,与高承台桩相比,可液化场地中低承台桩的抗震性能更优;地震中砂层尚未液化或液化不充分时,低承台更多表现出减弱桩尤其桩上段的加速度反应的作用,相反高承台更多起到放大桩的加速度作用,而高承台桩与低承台桩的峰值应变自下而上更多表现出逐渐增大趋势;即使砂层完全液化时,低承台桩的峰值应变自下而上仍以渐增为主;与低承台桩相比,高承台桩更有助于放大墩顶加速度、位移反应,对结构体系整体稳定性产生了不良影响;虽然低承台桩未出现严重破坏,但砂层中部桩的应变却很大,液化砂土-桩运动相互作用对桩的抗震性能影响不容忽视。     

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。     

A Study of Piles during Earthquakes: Issues of Design and Analysis

The seismic response of pile foundations is a very complex process involving inertial interaction between structure and pile foundation, kinematic interaction between piles and soils, seismically induced pore-water pressures (PWP) and the non-linear response of soils to strong earthquake motions. In contrast, very simple pseudo-static methods are used in engineering practice to determine response parameters for design. These methods neglect several of the factors cited above that can strongly affect pile response. Also soil–pile interaction is modelled using either linear or non-linear springs in a Winkler computational model for pile response. The reliability of this constitutive model has been questioned. In the case of pile groups, the Winkler model for analysis of a single pile is adjusted in various ways by empirical factors to yield a computational model for group response. Can the results of such a simplified analysis be adequate for design in all situations?The lecture will present a critical evaluation of general engineering practice for estimating the response of pile foundations in liquefiable and non-liquefiable soils during earthquakes. The evaluation is part of a major research study on the seismic design of pile foundations sponsored by a Japanese construction company with interests in performance based design and the seismic response of piles in reclaimed land. The evaluation of practice is based on results from field tests, centrifuge tests on model piles and comprehensive non-linear dynamic analyses of pile foundations consisting of both single piles and pile groups. Studies of particular aspects of pile–soil interaction were made. Piles in layered liquefiable soils were analysed in detail as case histories show that these conditions increase the seismic demand on pile foundations. These studies demonstrate the importance of kinematic interaction, usually neglected in simple pseudo-static methods. Recent developments in designing piles to resist lateral spreading of the ground after liquefaction are presented. A comprehensive study of the evaluation of pile cap stiffness coefficients was undertaken and a reliable method of selecting the single value stiffnesses demanded by mainstream commercial structural software was developed. Some other important findings from the study are: the relative effects of inertial and kinematic interactions between foundation and soil on acceleration and displacement spectra of the super-structure; a method for estimating whether inertial interaction is likely to be important or not in a given situation and so when a structure may be treated as a fixed based structure for estimating inertial loads; the occurrence of large kinematic moments when a liquefied layer or naturally occurring soft layer is sandwiched between two hard layers; and the role of rotational stiffness in controlling pile head displacements, especially in liquefiable soils. The lecture concludes with some recommendations for practice that recognize that design, especially preliminary design, will always be based on simplified procedures.     

波浪与地震对小尺度桩柱的共同作用研究

本文以某一实际平台桩柱为例,对其进行波浪作用以及波浪与地震共同作用研究。依据我国海港水文规范JTJ213-98、DNV的环境条件和环境荷载规范以及API的相关规范[1-3],对波浪荷载的计算采取不同的简化处理方式,从而分析流体的附加质量效应和流固耦合效应在不同工况下对桩柱结构响应的影响,并分析了该影响随工作水深和波浪参数的变化规律。结果表明,两种工况下流体的附加质量效应和流固耦合效应对桩柱响应的影响趋势并不相同,当进行波浪与地震共同作用分析时,有必要考虑流体附加质量效应和流固耦合效应对结构响应的影响。     

基于动力BNWF法的冻土-桩相互作用模型研究

基于水平循环荷载作用下不同负温冻土环境中单桩动力特性模型试验结果,在已有分析桩-土-结构相互作用的动力BNWF模型的基础上,提出改进的冻土-桩基动力相互作用非线性反应分析模型。在该模型中,利用改进的双向无拉力多段屈服弹簧考虑桩侧冻土的水平非线性力学特性,同时兼顾桩侧与冻土间的竖向非线性摩擦效应、桩尖土的挤压与分离作用以及远场土体阻尼对桩基动力特性的影响。其中桩侧水平多段屈服弹簧参数根据冻土非线性p-y关系获得,该关系曲线以三次函数曲线段及常值函数段共同模拟,并由室内冻土压缩试验结果确定。最后基于改进的动力BNWF模型,提取动位移荷载作用下该桩顶力-位移滞回曲线及桩身不同埋深处的弯矩动响应数值分析结果,并与相应的模型试验结果对比,二者具有较好的拟合度,表明本文所提出的改进模型在分析冻土-桩动力相互作用时有较好的适用性。