地震作用下承台桩-土动力相互作用数值模拟分析

基于已开展的非液化场地-群桩基础-结构体系动力响应大型振动台模型试验,进行三维全时程动力数值模拟分析。采用修正的Davidenkov模型反映土体在地震反应过程中的模量衰减,通过“捆绑边界”模拟模型箱的层状剪切运动。通过对比试验中土-结构体系加速度响应时程、土体位移和桩基内力等,验证数值模型的有效性。利用已验证的数值模型,开展承台尺寸对桩-土-上部结构动力响应影响研究。结果表明,承台厚度的增大会导致上部结构和桩顶惯性效应减小;地震作用下沿激振方向前桩大于后桩,随着承台厚度的增大,前桩与后桩峰值弯矩差值率为16.1%～32.1%,群桩效应影响增大;随着承台厚度的增大,承台-土动土压力增大了3～6倍,承台与桩基水平荷载分担比增大,桩基弯矩反弯点位置上移了0.50 m;承台-土的相互摩擦作用会降低结构整体动力响应。     

饱和砂土地基中群桩侧向动力响应试验与数值模拟对比研究

可液化场地中桩基尤其是群桩的横向动力响应特性的研究,一直是国内外岩土地震工程领域关注的热点问题。由于桩-土-承台结构动力相互作用过程的复杂性,基于砂土-群桩-承台结构模型振动台试验,对饱和砂土中群桩侧向动力响应特性进行了分析。在此基础上,通过大型有限元软件OpenSees建立了三维模型,展开了数值模拟研究,并将数值模拟结果与试验结果进行了对比研究。结果表明:在正弦波输入下,无论是干砂还是饱和砂土试验,群桩承台加速度和位移时程与模拟承台加速度和位移时程在曲线趋势和峰值上基本吻合;在El-Centro地震波输入下,干砂和饱和砂土的模拟承台加速度时程曲线峰值和趋势与试验的比较吻合,而承台位移时程曲线频率比试验要高,但承台位移峰值基本一致。     

地震动参数对边坡地震响应的影响规律

选取了具有不同峰值加速度、频谱和持时的6组地震动加速度时程作为输入,基于有限元数值模拟方法建立了二维均质边坡有限元模型,模拟分析了不同地震动作用下边坡模型的加速度和位移响应,揭示了地震动峰值加速度、频谱和持时对土坡地震响应的影响作用及其规律.研究结果显示:地震动峰值加速度、频谱和持时对土坡地震响应均有显著的影响,其中,边坡坡脚处和坡肩处的变形位移随地震动峰值加速度、特征周期和持时的增大而增大,坡体临空面各点的峰值加速度放大系数呈现随输入地震动特征周期的增大而增大、随输入地震动峰值加速度的增大而减小的规律.研究结果可为地震作用下边坡稳定性设计及防治研究提供参考.      

土-桩-框架结构非线性相互作用的精细数值模型及其验证

利用有限元软件ABAQUS,建立了土-桩-框架结构非线性相互作用（SSI）的二维精细有限元模型,分别采用记忆型粘塑性嵌套面模型和损伤塑性模型模拟土体和混凝土材料,采用梁单元和rebar单元模拟RC桩基及其内部纵筋,采用接触面对法模拟桩土接触效应,取得了良好的计算效果。将自由场、框架、土-桩-框架结构模型的分析结果和其它成熟的计算软件进行对比,验证了数值模型的有效性。分析发现：桩基外侧靠近承台处的土体的非线性反应很强烈,而桩基内部土体的非线性反应较小,很大程度上只是跟随群桩一起运动。由于桩土动力接触,桩顶的加速度反应可能超出上部结构,并且桩顶的加速度时程曲线上有非常明显的＂针＂状突变。随着地震动强度的增加,上部框架逐渐表现出单自由度体系的动力特征,加速度反应谱有从多个波峰退化为单一波峰的趋势。     

分层土-隧道相互作用体系地震响应分析

为研究地震作用下非均质场地各个土层放大效应以及分层土-隧道的地震响应,以大连某实际工程为背景,基于地震作用下隧道结构动力响应的理论,采用收敛约束法,通过ABAQUS构建分层土-隧道三维有限元模型,并结合振动台试验,验证模拟的准确性;将自由场与有隧道场地进行对比,并结合加速度和傅里叶曲线对模拟数据进行分析。结果表明：(1)土体性质和激励大小对地震波的传递有影响,随着场地由浅到深逐渐增加,峰值加速度逐渐放大,不同分层介质的主要频率和频谱形状发生明显变化;(2)隧道会放大远场的加速度响应,略微降低近场的动力响应;(3)软弱夹层的存在对地震动的放大作用也有明显影响,不同分层介质的不同特性导致土层刚度不同,从而影响地震作用下层状土-隧道的动力相互作用。     

近断层地震动作用下风机塔地震反应分析

为了研究近断层地震动速度脉冲及强竖向地震动对风机塔地震响应的影响,以某陆上风电场1.5 MW风机塔为研究对象开展了结构在水平向脉冲型地震动、水平向非脉冲型地震动、水平与竖向地震动组合3种地震输入工况的时程分析。通过3种工况下塔顶位移时程、加速度时程、塔底剪力、弯矩及轴力的对比分析发现:近断层速度脉冲对结构塔顶水平位移、塔顶水平加速度、塔底剪力与弯矩均影响显著;竖向地震动会加大结构的塔顶竖向加速度响应及塔底轴力响应;随着竖向与水平加速度峰值比增大,塔顶竖向加速度响应增大,最大轴力随着峰值比增大而增大,最小轴力随着峰值比增大而减小。此外,增量动力分析表明,采用自接触的有限元模型可以更真实地预测风机塔的失稳破坏机制。     

隧道侧穿箱基框架结构体系振动台试验及数值模拟

以郑州市轨道交通7号线侧穿箱基框架结构工程为背景，开展了室内振动台缩尺模型试验，并借助有限元软件ABAQUS对不同工况进行数值建模，将振动台试验和数值模拟结果进行对比，验证数值模拟结果的可靠性。基于验证后的模型，分析隧道侧穿箱基框架结构体系的动力响应特性。结果表明：(1)隧道或箱基框架结构的存在均会降低整个体系的自振频率；(2)箱基框架结构的存在会降低隧道结构的加速度响应，同时减弱隧道结构所受到的弯矩，而对其所受剪力的影响不大；(3)隧道结构的存在会减弱箱基框架结构的加速度响应和位移响应。箱室的存在会改变地震波的传播路径，且当箱基框架结构高于三层时，楼板加速度响应随楼层高度的增大更明显。     

软弱场地地铁车站结构地震反应的数值模拟与模型试验对比分析

根据软弱场地土上地铁车站结构大型振动台模型试验结果,以软件ABAQU S为平台,采用记忆型嵌套面黏塑性动力本构模型和动塑性损伤模型,分别模拟土体和车站结构混凝土的动力特性,建立了土-地铁车站结构非线性动力相互作用二维和三维有限元分析模型,对各种试验工况下地基土-地铁车站结构体系的地震反应进行了数值模拟,并与试验结果进行了对比。结果表明：二维、三维数值模拟与振动台模型试验结果基本一致,三维模型可更好地模拟软弱场地与地铁车站结构的动力相互作用及模型结构的动力反应。数值模拟结果和振动台试验结果可相互验证其可靠性。     

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。     

永久位移对隔震结构地震响应的影响分析

为分析永久位移型地震动对隔震结构地震响应的影响,文中对单层单跨结构有限元隔震模型分别输入永久位移型及非永久位移型地震动,以探究隔震结构在2种类型地震动输入下的地震响应差别。单层单跨隔震结构有限元模型的数值分析结果表明：相比较非永久位移型地震动,永久位移型地震动作用下隔震层加速度以及位移响应较大。当峰值加速度输入一致时,永久位移型地震动作用下隔震层峰值加速度相较于非永久位移型地震动增大约10%～30%;永久位移型地震动作用下隔震支座最大相对位移相较于非永久位移型地震动增大约10%～40%;随着2种类型地震动峰值加速度的增加,隔震结构同一隔震支座的最大相对位移差值呈现出增大的趋势。     

基于振动台模型试验的高落差埋地管道地震响应研究

为研究高落差埋地管道的地震响应,进行了高落差埋地管道振动台模型试验和有限元数值模拟,探讨管道径厚比、管道倾角、地震波入射角、地震动峰值加速度和管道埋深对高落差埋地管道地震响应的影响规律.试验结果与数值模拟结果符合较好.研究结果表明,在入射角0°的地震波作用下,高落差埋地管道轴向应变峰值随着管道径厚比的增大而增大;在一定...     

AP1000核电厂模型基底隔震振动台试验研究

为研究AP1000核电厂基底隔震性能,设计了缩尺比为1/40的AP1000核电厂模型结构,进行了AP1000核电厂模型基底隔震振动台试验。试验中采用铅芯橡胶隔震支座进行隔震,并选取RG1.60人工波、El Centro波和Kobe波作为地震动输入。本文从加速度响应、楼层加速度反应谱、加速度峰值放大系数、减震率等方面对隔震与非隔震核电厂结构的地震响应特性进行了研究。试验结果表明:隔震能明显减小上部结构水平向加速度响应和加速度反应谱峰值,而在隔震频率处隔震模型加速度反应谱有所增加;隔震模型由于摇摆效应在隔震频率处的水平向楼层加速度反应谱随楼层高度的升高先减小后增大;在三向输入地震动作用下,隔震和非隔震AP1000模型各楼层在竖向基频附近的竖向加速度反应谱较竖向输入的地震动放大较为明显。     

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。     

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。     

墩底可抬升刚构桥模型振动台试验研究

桥墩基础抬升可以切断地震动向上部结构传播,基础与地基碰撞还可以耗散地震能量,然而已有研究大多集中在数值模拟或理论分析,缺乏大型振动台试验验证.文中设计制作了一座基础固接和基础可抬升的连续刚构桥模型并进行振动台试验.对2种模型的动力特性、加速度响应和位移响应等进行对比分析.结果表明:基础可抬升桥梁较基础固接桥梁固有频率小...     

极限安全地震动下考虑土-结构相互作用的核电站安全壳响应分析

根据黏弹性人工边界的基本原理,结合有限元分析软件ABAQUS和MATLAB辅助程序,在地基有限区域上添加黏弹性人工边界并实现极限安全地震动的输入。基于ABAQUS软件平台,对CPR1000安全壳构建了土-结构相互作用体系的数值模拟模型,分析其在极限地震动下的动力响应,并将计算结果与考虑刚性基础的安全壳结构响应数据进行对比。结果表明:核电站CPR1000安全壳结构在极限安全地震动下仍能保持良好的密闭性。考虑土-结构相互作用后分析所得安全壳结构受到的应力、加速度峰值和相对位移均有所增大,使用刚性地基模型要偏于危险。     

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。     

西安地裂缝场地动力响应规律及影响因素分析

在地裂缝密集分布的西安地区,建筑"傍缝而建"的现象非常普遍,地裂缝的存在严重制约了城市建设用地的有效利用和规划。为研究地裂缝对场地动力响应的影响,分析地震动作用下地裂缝场地动力响应规律及其影响范围,以西安地裂缝为研究对象,基于室内振动台试验及FLAC~(3D)数值模拟,分析地裂缝场地动力响应中的加速度幅值动力响应特征。在此基础上,进一步分析不同地震波类型、地裂缝破裂面倾角、地震动强度、地裂缝两侧土层错距对地裂缝场地动力响应的影响。研究表明:地裂缝对场地动力响应影响明显,表现为地裂缝一定范围内峰值加速度呈"带状"分布,即地裂缝处峰值加速度最大,随着距地裂缝越来越远,峰值加速度逐渐减小后趋于稳定,带状分布范围上盘约30 m,下盘约20 m;地裂缝场地动力响应表现出明显的"上盘效应",即上盘峰值加速度略大于下盘;地震动强度对地裂缝场地动力响应影响明显,地裂缝倾角、地裂缝两侧土层错距、地震波对地裂缝场地动力响应均无明显影响     

横向非一致地震激励下埋地管道的动力响应分析

为研究埋地管道在地震激励时管-土相互作用的动力响应问题,研发双向层状剪切连续体模型土箱,建立管G土相互作用有限元分析模型,对横向非一致地震激励下埋地管道地震响应进行数值模拟分析,并与试验结果进行对比.结果表明:数值模拟和振动台试验结果中的管道应变峰值均呈现出沿管道中间大两端小的现象,管道中间应变峰值最小达到两端的1．6倍左右;管道加速度、 土体加速度峰值均随着加载等级的提高而增大,涨幅愈加明显,多峰频率由0~10Hz逐渐向10~ 20Hz频域扩散,管道运动更为自由;土体位移随着加载等级的提高呈现逐级增大的现象,在加载等级增加到0．4g 时位移曲线斜率减小,土体非线性表现明显.数值模拟和振动台试验对比分析的结论表明数值模拟分析的合理性和试验结果的可靠性,为研究横向非一致激励对埋地管道地震响应的影响提供了依据.     

基于ABAQUS高层剪力墙结构的有限元建模及其振动台试验验证

采用ABAQUS建立12层剪力墙结构的有限元模型,利用该结构1/5缩尺模型振动台试验时预留试块的材性试验结果及相似关系,确定相应原型结构材料的性能参数,将试验参数和我国混凝土结构设计规范给出的混凝土单轴受拉/压应力-应变关系曲线相结合,确定ABAQUS模型中混凝土损伤塑性模型所需的应力-应变参数;将试验参数和张劲公式法相结合,确定ABAQUS模型中混凝土损伤塑性模型所需的损伤因子参数。对比有限元分析结果和振动台试验结果,验证参数设置的有效性。ABAQUS有限元分析和振动台试验所得原型结构前三阶振型和自振周期相差很小,说明ABAQUS模型和参数设置能够反映并用于计算实际结构的弹性响应。ABAQUS有限元分析得到的结构损伤情况与试验模型的损伤情况基本一致;结构的顶点加速度曲线和滞回曲线等响应的有限元分析结果与试验结果在多遇地震作用下基本吻合,但由于振动台试验累积损伤的影响,两者的差异随着地震波幅值的增大而逐渐增大;ABAQUS有限元分析得到的位移包络曲线与剪力墙结构弯曲变形的特点相符。以上弹塑性分析结果进一步表明了ABAQUS模型和参数设置能够很好地模拟结构在地震作用下的响应。