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。     

基于OpenSees的桩-土-桥墩相互作用非线性数值分析模型

基于OpenSees数值分析平台,建立了群桩-土-桥墩非线性数值分析模型。模型中桩-土水平向相互作用和桩-土竖向相互作用、桩底-土竖向相互作用分别通过p-y、t-z与q-z零长度弹簧单元模拟。模型中同时考虑了群桩效应与纵筋在墩底的应变渗透和粘结滑移的影响。结合群桩基础拟静力试验结果,对数值模型的准确性进行了验证,在此基础上对土体参数特性对桩基滞回性能的影响规律进行了分析。结果表明:所建立的数值分析模型可对群桩基础滞回曲线和骨架曲线进行较为准确的模拟分析,验证了模型的可靠性。反复荷载作用下,前桩处土体的反应明显大于中桩处;土体由软黏土变为硬黏土时,墩顶侧向承载力与刚度显著增加,但土体的非线性反应减弱。     

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。     

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。     

液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用振动台试验数值模拟方法研究

直接针对大型振动台模型试验,建立液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用数值模拟的二维分析模型和计算方法。根据桩基平面应变假定,将空间桩体转换成平面板桩,并考虑桩的尺寸效应;基于桩截面节点位移协调条件和平衡力系等效原理,建立四结点梁单元刚度矩阵且对Timoshenko梁杆单元刚度矩阵进行增广修正,以考虑桩的横向尺寸影响桩周土位移场分布的尺寸效应。根据有效应力原理进行土动反应分析,采用满足M asing准则的修正双曲线模型描述土动力变形的本构关系,同时考虑因孔压上升造成土体软化而对土动力性能的影响,由迭代法处理土的动力非线性。采用并联弹簧-阻尼器模拟计算域人工边界,以考虑边界波的反射作用对体系动力反应的干扰和土粘滞阻尼的影响。采用W ilson-θ逐步积分法计算体系的地震反应。通过与试验结果的对比分析,评估数值模拟的建模途径和计算方法的可靠性。     

强震作用下桩-土-断层非线性动力响应特性

为研究强震作用下桩-土-断层非线性动力响应特性,依托海文大桥实体工程,选取4种类型(5010波、5002波、Kobe波和El-Centro波)地震波,通过建立桩-土-断层相互作用模型,利用MI?DAS/GTS有限元分析软件,研究断层上、下盘桩基加速度响应、桩顶水平位移、桩身弯矩以及剪力响应情况.结果表明:4种类型地震波...     

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。     

黏土中水平动荷载作用下刚性短桩刚度衰减数值分析

水平动荷载作用下桩的水平承载力和桩侧土的刚度变化是桩基设计时的重点考虑因素。采用基于移动硬化弹塑性本构模型的水土完全耦合有限元法,建立二维桩土共同作用模型,探讨黏土中刚性短桩在水平动荷载作用下水平力与位移的关系,以及割线刚度的衰减规律。并对比水平循环荷载作用下与静载作用下桩的水平承载力的差异,得到一些对研究和设计都有参考价值的结论。     

运行状态下海上单桩风机系统自振频率分析

系统自振频率限制是海上风机结构设计中的一个关键因素。运行状态下风机动力荷载会引起基础的水平侧移,较大的水平侧移会导致基础刚度的降低,进一步影响风机系统的自振频率。该文基于有限元软件ABAQUS平台,建立单桩式海上风机结构系统的自振频率数值模型,并讨论运行状态下基础水平侧移对大直径海上风机系统自振频率的影响。模型中考虑了塔筒的变截面特性;桩-土相互作用通过p-y曲线方法模拟;桩和塔采用梁单元模拟;通过Pushover分析汇总出水平侧移引起的桩顶水平刚度。研究结果表明:桩基侧向位移会降低风机结构体系的自振频率;桩基侧向位移对基频的影响较小,对高阶频率的影响显著;大直径海上风机的频率计算中可忽略风机运行状态对体系自振频率的影响。     

基于ADINA的桩土相互作用分析

基于大型通用数值计算平台ADINA建立三维数值模型,分别结合相互作用三维接触模型和p-y曲线简化分析模型模拟桩土系统在水平荷载作用下的桩顶位移变化规律,计算分析表明:计算结果与实际测量值基本一致,验证了两种建模方式的合理性和正确性。在此基础上进一步对p-y曲线简化分析模型在不同水平荷载作用下的工作性状进行分析,计算结果表明p-y曲线简化分析模型能较好地模拟桩土间的相互作用行为,将其应用到桩基相关抗震设计中能明显减少计算求解消耗。     

强震状态下黄土中桩基动力性状分析

传统通过p-y曲线法分析强震状态下黄土中桩基动力性状时未进行桩基结构模拟,获取的强震状态下黄土中桩基动力的相关动力参数不准确。本文提出新的强震状态下黄土中桩基动力性状分析方法,依据HS硬化模型设计HSS本构模型,通过模型获取强震状态下黄土中桩基动力的相关参数,以此为基础采用PLAXIS软件构建黄土中桩基有限元模型;通过两种模型从耦合荷载作用下的桩基桩身水平位移响应、桩身内力响应两方面对强震状态下黄土桩基动力性状展开实验分析。实验结果表明,所提方法可对强震状态下黄土中桩基动力性状进行准确分析。     

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。     

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.     

Effects of riverbed scour on seismic performance of high-rise pile cap foundation

To explore the seismic performance of a high-rise pile cap foundation with riverbed scour, a finite element model for foundations is introduced in the OpenSees finite element framework. In the model, a fiber element is used to simulate the pile shaft, a nonlinear p-y element is used to simulate the soil-pile interaction, and the p-factor method is used to reflect the group effects. A global and local scour model is proposed, in which two parameters, the scour depth of the same row of piles and the difference in the scour depth of the upstream pile and the downstream pile, are included to study the influence of scour on the foundation. Several elasto-plastic static pushover analyses are performed on this finite element model. The analysis results indicate that the seismic capacity (or supply) of the foundation is in the worst condition when the predicted deepest global scout depth is reached, and the capacity becomes larger when the local scour depth is below the predicted deepest global scout depth. Therefore, to evaluate the seismic capacity of a foundation, only the predicted deepest global scout depth should be considered. The method used in this paper can be also applied to foundations with other soil types.     

端承桩在分层地基中的横向地震反应分析

本文对分层弹性地基中端承桩基础按Ｗｉｎｋｌｅｒ（温克尔）地基土模型，通过特性分析，建立了合理的力学模型，经过动力分析，给出了端承桩基础横向自由振动特性及在横向动力载荷与地震载荷作用下强迫反应的解析解。文中的解析公式为分层弹性地基中端承桩基础在横向动力载荷与地震载荷作用下的动力反应分析，提供了一种新的解析方法。     

无限层弹性地基中常轴力桩基的地震反应分析

根据Ｗｉｎｋｌｅｒ地基模型，对桩基础通过特性分析建立了合理的力学模型。在动力分析的基础上，给出了桩基础横向自振特性及在常轴力与横向地震载荷作用下的强迫反应解析解。文中的解析公式为桩基础动力分析提供了一种新的解析方法。     

考虑波流影响的深水群桩基础桥墩地震反应分析

用基于ABAQUS软件为平台的平行计算技术,对考虑波流影响的地基土-群桩-桥墩体系进行三维非线性地震反应数值模拟,土体和墩台以八节点等参单元离散,桩以梁单元离散,采用土体黏塑性记忆型嵌套面本构模型描述土的动力特性,采用动力塑性损伤模型描述混凝土的动力特性;基于Morison公式,采用Stokes五阶波浪理论描述表面波流,波浪力以分布力的形式施加于桥墩之上,分析了考虑和不考虑波流作用时不同地震动作用下群桩基础桥墩的地震反应特性,结果表明:波流作用对桩体加速度反应的影响很小,但对桩体相对位移和弯矩的影响显著,波流作用使桩体弯矩和顺流向的相对位移增大、逆流向的相对位移减小,其影响幅度随流速的增大而增大,波流作用与输入地震动特性密切相关。考虑波流作用对深水大型桥梁群桩基础桥墩地震反应的影响是有必要的。     

Model tests and numerical analyses on horizontal impedance functions of inclined single piles embedded in cohesionless soil

Horizontal impedance functions of inclined single piles are measured experimentally for model soil-pile systems with both the effects of local soil nonlinearity and resonant characteristics.Two practical pile inclinations of 5° and 10° in addition to a vertical pile embedded in cohesionless soil and subjected to lateral harmonic pile head loadings for a wide range of frequencies are considered.Results obtained with low-to-high amplitude of lateral loadings on model soil-pile systems encased in a laminar shear box show that the local nonlinearities have a profound impact on the horizontal impedance functions of piles.Horizontal impedance functions of inclined piles are found to be smaller than the vertical pile and the values decrease as the angle of pile inclination increases.Distinct values of horizontal impedance functions are obtained for the ’positive’ and ’negative’ cycles of harmonic loadings,leading to asymmetric force-displacement relationships for the inclined piles.Validation of these experimental results is carried out through three-dimensional nonlinear finite element analyses,and the results from the numerical models are in good agreement with the experimental data.Sensitivity analyses conducted on the numerical models suggest that the consideration of local nonlinearity at the vicinity of the soil-pile interface influence the response of the soil-pile systems.     

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。