复杂艰险构造区铁路桥梁系统地震响应分析Part Ⅱ:SSI（土?结构相互作用）影响

目前国家正在复杂艰险构造区修建和规划新的铁路,地震等极限环境耦合作用对铁路交通的影响受到越来越多的关注.本文提出一种列车?桥梁?土耦合系统的数值模型,引入车辆简化模型、桥梁结构非线性有限元模型和层状土半解析模型,采用纯时域求解方法.利用p-y曲线、t-z曲线和q-z曲线建立土?桩基非线性模型,采用双线性模型模拟桥墩及桩基础的滞回特性,计算不良地质体发育区铁路列车?桥梁?土耦合系统的弹塑性地震响应,分析SSI对桥梁弹塑性地震响应的影响.研究表明,列车?桥梁?土耦合系统的第一弯曲模态通常是临界模态,即梁的一个半波形状导致土桥系统固有频率降低.另外,对于横向地震响应来说,考虑SSI（土?结构相互作用）后,影响地震响应的频率成分会发生变化,除了频率会变小之外,频段也会变宽.考虑SSI之前,影响频段是1.8~2.0 Hz,考虑SSI之后变为1.2~2.0 Hz之间.对于梁跨中竖向加速度,从考虑SSI之前的4.576 Hz到考虑SSI之后的14.215 Hz,建议考虑SSI进行设计时候应考虑竖向高阶振型影响.      

水平谐振荷载作用下桥梁基桩的动力反应

针对桥梁基桩在施工和运营过程中不可避免承受动力作用的问题,在考虑桩顶承受轴向和横向静力荷载共同作用的基础上,将激振荷载简化为水平谐振荷载作用,并基于动力Winkler地基梁模型,将桩周土由一系列分布的彼此独立的弹簧和阻尼器所代替,建立桥梁基桩在瞬态荷载激励下的横向振动方程,求解基桩横向非线性动力学响应。在考虑桩-土接触和透射边界的基础上,引入有限单元方法建立基桩的二维非线性动力有限元模型,分析了基桩各项设计参数。计算结果表明：基桩桩顶位移大致随荷载频率的变化呈驼峰形,其位移量随着荷载振幅的增大而增加;基桩的自振频率随着长径比的增加而增大,且随着桩-土模量比的增加,自振频率有减小的趋势;增大桩径会增大基桩的受力,其对应的变形也将有所减小,且基桩的稳定性增加。     

液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用简化分析方法

液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用分析属于桩基桥梁抗震设计中的一个关键科学问题,而目前尚缺乏合理的简化分析方法。鉴于此,直接针对振动台试验,基于Penzien模型,建立了液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用的数值分析模型与相应的简化分析方法。通过振动台试验验证了数值建模途径与简化计算分析方法的正确性,可用于液化场地桩基桥梁结构地震反应的分析,并且特别考虑砂层中孔压升高引起的砂土承载力衰减效应,推荐了计算参数的合理选取方法;据此进行了桩径、桩土初始模量比、砂土内摩擦角、上部桥梁结构质量等重要参数对液化场地桩-土地震相互作用影响的敏感性分析。研究表明：在液化场地条件下,随桩径和桩土初始模量比的增大,桩的峰值加速度、峰值位移减小,而桩的峰值弯矩则增大;随砂土内摩擦角增大,桩的峰值加速度、峰值弯矩、峰值应力均增大,而桩的峰值位移则减小;随上部结构配重增大,桩的峰值位移、峰值弯矩均增大。     

基于随机地震反应的桥墩-群桩-土相互作用研究

考虑地震动的随机性,利用复反应分析技术,采用随机地震反应计算方法对某一特大型桥梁群桩基础与土动力相互作用效应进行了数值试验研究。将土与群桩体系视为一个整体进行有限元离散,采用等效线性化方法考虑土体的动力非线性性能。将桥墩-群桩-土相互作用体系与自由场随机地震反应进行比较,结果表明：相互作用效应的影响与桩土模量差异以及土体与群桩基础距离有关;软土层剪应变水平及分布发生了显著变化,群桩基础两侧附近土域剪应变呈现明显的弧形分布;地表及浅层土体最大地震加速度反应有所减小,但覆盖层中下部土体加速度反应峰值明显增大,增幅达5 %～30 %左右;此外,地震地面运动的频谱成分存在显著差别。桥梁桩基础抗震设计中应充分考虑桥梁结构-群桩-土相互作用效应。     

桩板结构桩-板-土相互作用模型试验研究

为了明确桩板结构桩-板-土体相互作用机制,基于推导的相似理论,制作了桩板结构在2种跨度、有无板下土体支承等不同条件下的竖向分级加载试验和水平加载试验,系统研究了桩板结构桩-板-土相互作用力学特性。初步得出以下结论：（1）板-土相互作用对桩板结构的受力影响明显。当不考虑板下土体支承作用时,板的位移、应力、桩的受力、板-土接触压力等都会明显增大,且跨度越大,影响越明显。表明目前在工程设计时不考虑板下土体的支承作用进行设计,偏于保守。因此,建议桩板结构在设计时应考虑板下路基土体的支承作用。（2）在横向荷载作用下,桩-土相互作用明显,其主要作用区域在桩的上部1/2范围内。同时试验表明,板的跨度对桩-土相互作用影响较小,但对板的横向位移影响较大,且桩板结构的跨度越大,在横向力作用下,板的弯拉应力也越大。因此,建议在进行桩板结构跨度设计时,应检算横向荷载作用下板的拉应力指标。     

考虑桩-土-结构相互作用的桥梁桩基地震反应有限元分析

地震荷载作用下桩-土-结构相互作用问题在桥梁抗震研究中越来越受到重视。本文结合工程实例,利用有限元仿真软件ADINA,建立桩-土-结构相互作用的有限元实体分析模型。选取三种时程波作为地震荷载,对在地震作用下桩-土-结构相互作用对桩的沉降位移,桩侧摩阻力和有效应力的影响进行了分析研究,对桩基设计提出了较为合理的建议。     

高频振动下散粒体-结构界面临界状态强度特征试验研究

高铁桥梁、路基工程中的桩基础持续承受列车运行引发的振动荷载,当前350 km/h车速下的车致振动已高达近40 Hz。随着车速的进一步提升,可能给桩基础承载性能带来不利影响。桩-土界面是桩和地基土之间力和变形传递的重要媒介,很大程度上决定着桩基础的长期服役性能。但目前对于高频振动荷载下桩-土界面相互作用行为的认识和研究均不足。基于自主研制的可实现土-结构界面高频振动耦合静力剪切的试验装置,研究了散粒体-结构界面在振动下的临界状态强度特征,探讨了振动加速度、法向应力、结构面粗糙度、颗粒形状和振动频率的影响。结果表明：振动会导致界面强度衰减,部分振动条件下的界面强度甚至低于静力条件下的0.5倍;振动下的界面强度随振动加速度、频率的增大而下降,随法向应力的增大而提高。最后,基于摩尔-库仑强度理论,建立了振动下的散粒体-结构界面强度准则。     

微型桩群桩支护均质土滑坡的振动台模型试验

为研究地震作用下微型桩群桩支护均质土滑坡的地震动力响应特性,依托大型振动台,设计完成几何相似比为8:1（原型:模型）的物理试验模型。试验以El Centro波、汶川波、Kobe波以及不同频率的正弦波为激励波,研究地震动力作用下微型桩群桩的破坏模式、加桩后土质滑坡的加速度响应规律等。试验结果表明:（1）地震激励后微型桩的破坏模式与静力情况类似,呈反"S"型变形,弯曲破坏范围主要分布在滑面上1.4~4倍桩径内和滑面下1.4~3.4倍桩径内。（2）不同频谱特性的地震波激励时,滑坡加速度响应不同。激励频率越靠近滑坡自振频率,其加速度响应越强烈。微型桩群桩支护滑坡的加速度响应具有高程放大效应,且激励频率越靠近坡体自振频率,其高程放大效应越显著。（3）微型桩群桩支护结构对地震波有一定的阻滞作用,支护部位（尤其是坡脚）坡面的加速度响应明显弱于坡内,可限制坡表效应,但伴随坡高的增大,这种阻滞作用趋于减弱,无支护部位的上部坡体仍会出现坡表效应。     

预应力锚索桩板墙加固隧道洞口边坡的动力响应特性研究

降雨、地震作用下,隧道洞口边坡易产生严重破坏,有必要研究隧道洞口边坡及支挡结构的动力响应特性。以中国西南某隧道洞口边坡为例,通过振动台模型试验,分析降雨、地震作用下预应力锚索桩板墙加固隧道洞口边坡的动力响应与破坏模式。研究结果表明：（1）隧道洞口边坡破坏过程为坡顶张拉裂缝―坡脚剪切溃裂―边坡整体滑移破坏。由于雨水入渗,坡表土体在地震作用下易产生局部浅层破坏。边坡破坏模式为张拉-剪切型。（2）随峰值加速度增加,桩身PGA放大系数显著增大,应重视该类支护结构在地震作用下的惯性放大效应。（3）桩后峰值土压力随峰值加速度增加而增大,由“S型”分布逐渐转变为倒三角形分布。峰值加速度大于0.4g时,锚索轴力逐渐增加,充分发挥张拉作用。（4）桩土压力与加速度傅里叶谱幅值集中于低频段,地震波沿高程传播存在“高频滤波效应”。（5）桩身位移谱幅值随峰值加速度增加而逐渐增大,沿桩身向上呈增加趋势;位移谱主频分布于1～4 Hz,卓越频率为2.5 Hz,与地震荷载的主频较接近。（6）桩体加速度间的关联性较好,桩体加速度、动土压力、桩体应变、锚索轴力相关性随输入峰值加速度增加而逐渐降低。     

考虑冻土效应的桥梁桩-土动力相互作用研究现状与展望

冻土和地震是我国西部高寒高烈度地区桥梁工程建设中主要面临的两大挑战。冻土区线路工程广泛采用桩基础桥梁, 土体冻结后会显著影响地震作用下桩-土动力相互作用过程, 给桩基础桥梁抗震分析带来困难。首先系统总结和分析了冻土对桥梁结构地震响应的影响、 桩-冻土相互作用效应及其计算模型等方面的研究现状, 进而对相关成果进行了科学分析。研究表明： 冻土的存在对桥梁结构地震反应的影响是显著的, 桩基础桥梁抗震设计中不考虑冻土效应是不合理的。目前还存在的问题包括： 冻土区桥梁结构地震反应的研究中, 未充分考虑冻土效应; 现有桩-土相互作用模型无法有效应用于冻土领域; 地震作用下桩-冻土体系相互作用机理及其破坏特征不明确。在此基础上, 提出了考虑冻土效应后桥梁桩-土动力相互作用为今后需要重点研究的方向。     

重复列车荷载作用下季节性冻土区桥墩-基础场地振动特性及长期变形分析

基于高速列车运行引起的轨道-桥梁-桥墩-季节性冻土区场地的地面振动和沉降问题, 选取哈大高速铁路铁岭至四平段某桥墩及周围基础场地为测试段, 对实测数据从时域和频域两方面进行分析, 研究了桥墩及周围不同场地的振动特性, 结果表明:桥墩和基础场地的振动特性存在很大的差异, 基础场地对振动有放大效应, 且不同基础场地对振动的放大效果也明显不同。结合实测概况建立了桥墩-基础场地有限元数值模型, 分析桥墩及基础场地在不同季节的振动传播特性, 以及基础场地土体内部的应力分布情况, 并利用累积塑性应变模型对重复列车荷载作用下季节性冻土区基础场地的沉降变形进行分析, 发现场地振动加速度峰值随与桥墩距离R的增大而衰减, 且在冻结季的振动衰减速度明显小于非冻结季的; 基础场地地表的累积沉降在距桥墩R=0.5 m处最大, 且随着列车荷载作用次数的增加而增加, 最后逐步趋于稳定。     

考虑桩-土相互作用效应的高速铁路桥梁桩基础抗震设计方法研究

针对强震下高速铁路桥梁桩基础抗震设计中存在的问题,对桩基础的抗震性能提出了多级设防目标并给出了相应的评价指标与合理取值.借鉴FEMA440考虑桩-土三种相互作用效应的能力谱法,采用p-y、t-z及q-z曲线模拟桩周土的柔性效应,用PMM铰模拟桩身的非线性,通过Pushover分析得到桥墩的能力曲线.引入FEMA440对地基运动学效应、地基阻尼效应的地震动需求谱修正算法,对需求谱进行了修正.探讨了应用性能点轨迹法求解桩基础的延性需求及性能点的过程.以高速铁路32 m简支箱梁桥墩为研究对象,通过实例验证了该法的可行性.     

强震区桩−土−断层耦合作用下桩基动力响应

为研究桩-土-断层耦合作用下桩基动力响应特性,利用振动台试验选取0.35g地震动峰值加速度时4种类型地震波,研究断层上下盘桩基加速度响应、桩顶相对位移、弯矩及桩基损伤情况。试验表明：断层上盘桩基各项参数明显大于断层下盘,呈现出上盘效应;桩顶峰值加速度大于桩底峰值加速度,上部土层对输入地震波具有滤波作用;桩顶加速度响应相较于桩底具有滞后性;桩顶峰值加速度与桩顶加速度放大系数α在输入El-Centro波时最大;上、下盘α 差值在输入Kobe波时最大;弯矩和桩顶相对位移峰值在输入Kobe波时最大;弯矩在土层分界面处较大,输入不同地震波时弯矩峰值均未超过桩身抗弯能力;提出了强震区近断层桩基可根据验算内容选取合理地震波进行验算的抗震设计建议。     

液化场地桩基桥梁震害响应大型振动台模型试验研究

采用大型振动台进行液化场地桩基桥梁震害响应模型试验,很好再现了自然地震触发场地液化及结构破坏的各种宏观现象。0.15gEl Centro波输入下,上部砂层局部液化,桩-柱墩加速度主要表现为低频反应,桩动应变幅值自下而上很快增大、到达地表则大幅度减小。0.5gEl Centro波输入下,整个砂层全部液化,桩被折断且加速度也主要表现为低频反应,桩动应变幅值自下而上很快增大、到达地表则大幅度减小。砂层液化与否,对桩-柱墩动力反应影响很大。     

复杂艰险构造区铁路桥梁系统地震响应分析Part Ⅰ: 断层效应影响

近断层地震对桥梁的影响日益引起关注.本研究提出了桥梁?土?桩基全局建模方法,强调了更详细的桥墩及土壤非线性的真正好处,它可以比一系列轴载更真实地描述物理现象.协同SHAKE91程序并利用p-y曲线、t-z曲线和q-z曲线建立土?桩基非线性模型,采用双线性模型模拟桥墩及桩基础的滞回特性,建立不良地质发育区铁路桥梁?土?桩基多跨简支梁桥体系模型,计算其弹塑性地震响应,分析A_p/v_p等对桥梁的弹塑性地震响应的影响.研究结果表明:桥梁横竖向响应受A_p/v_p影响特点不同,相比墩底固结工况,考虑桩基后桥梁横向地震响应减小;对于竖向响应,在A_p/v_p > 10时桥梁竖向地震响应降低,说明竖向地震在较高频率影响桥梁地震响应.      

超深桩基础的有效应力地震反应有限元分析

采用有效应力动力分析方法,通过三维有限元数值分析手段,对某长江大桥索塔超深钢围堰加钻孔灌注桩基础进行了地震反应性状分析,对超深桩基础的震陷、地震反应加速度及振动孔隙水压力等动力特性进行了研究。计算结果表明：在地震作用下,桩基发生了较大永久变形,水平位移表现为桩侧土体向桩挤压,桩下部土体向外运动;桩侧附近的地震振动孔隙水压力较小,液化度也较小,相对于天然地基,桩基有较好的抗震性能;桩基础在桩顶部位动力反应相对较大,且边桩的动力反应比中桩的动力反应要大。     

强震作用下冰水域桥墩动力响应研究分析

地震作用下冰水域桥墩受到动水压力与动冰荷载的的双重影响。基于Morison动水理论和Croteau动冰力模型,提出一种适用于冰水域桥墩动力时程反应分析的简便计算模型,通过振动台试验验证了其有效性,并分析了海冰质量和水深对冰海域桥墩动力响应的影响。结果表明,强震作用下有冰时墩底最大曲率比无冰时最大增加8.93倍,桥墩被自由冰包围时,墩底截面出现最大曲率时对应的海冰质量随着水深的增加而变大;随着冰质量的持续增大,墩身最大位移易超越极限位移,造成桥梁垮塌,在桥梁设计中应重点考虑。     

充分考虑振动台实验滑移特征的地震滑坡基本单元体永久位移估算方法研究

充分考虑振动台实验揭示出来的基本地震滑坡单元体震动滑移特征,总结得到其永久位移的估算方法:（1）考虑地震动惯性力和重力的联合作用,计算相应向上和向下滑移的屈服加速度,以反应其可能向上和向下滑移的行为;（2）在适度简化斜坡岩土体动力学模型的基础上,考虑斜坡岩土体自振特性和滑体所在高度对地震波的放大效应,得到滑体附近的局部地震加速度;（3）考虑滑体附近局部加速度和滑移屈服加速度的控制作用,计算每一地震波的周期内滑体相对滑床所能达到的最大滑移速度（向上和向下）,进而得到相对动能;（4）考虑到滑体的动能基本耗散在滑带上,基于能量守恒原理,将相对动能除以滑带上的摩擦力,即可估算出每一周期内的永久位移;（5）将每一地震波周期内产生的永久位移相累加,即可得到总体的滑动位移。经与实验结果对比,本估算方法具有较高的精度与可靠性,虽只考虑了水平向地震动作用的影响,但对于存在竖向地震动的情况,其思路同样适用,只是需要计入竖向地震动惯性作用力的影响。     

不同岩性组合下的斜坡地震动力响应研究

本文采用大型有限差分软件FLAC3D, 建立上硬下软, 上软下硬, 含软弱基座和不含软弱基座4种斜坡的数值分析模型, 输入阪神地震波, 分析总结斜坡的动力响应规律。计算结果表明:(1)从加速度动力响应规律来看, 无论是水平向还是竖直向, 上软斜坡均比上硬斜坡大。并且, 两种斜坡的水平向放大系数均比竖直向放大系数大, 基本在1.52.0倍之间。(2)从位移规律上来看, 软岩相比于硬岩, 其对地震波更加敏感, 上硬下软岩性组合在强震动力作用下更易失稳。(3)从速度、位移的动力响应规律来看, 有软基斜坡地震动响应程度明显大于无软基斜坡。但是从边坡的应力变化来看, 软弱基座的存在, 一定程度上起到了吸收入射地震波能量的作用, 反而有利于边坡稳定性。     

预应力管桩振动台试验的数值分析

为了研究地震作用下预应力管桩的抗震性能和提高预应力管桩的延性设计水平,通过进行预应力管桩振动台试验,了解有限桩基形式下振动特性,建立预应力管桩振动分析数值模型,模拟振动试验全过程。改变桩数量和输入不同地震波加速度峰值,探讨各种桩基础形式在地震作用下的反应及抗震性能。分析结果表明,对于4桩基础,在3倍桩径的位置出现桩身反向位移,在2.5倍桩径处出现桩身负弯矩,在4～9倍桩径的区域范围内会出现开裂弯矩,在5倍桩径的位置出现弯矩最大值,在15倍桩径位置之下开始桩身弯矩急剧减小,分析结果可为预应力管桩抗震设计、制造、施工提供可靠依据。