端承桩‑土动力相互作用的频域子结构分析方法∗

对动力荷载作用下桩‐土相互作用问题,将桩和结构等效为一维杆、土体假定为黏弹性介质,提出了一种桩‐土动力相互作用的频域子结构分析方法。首先,基于连续介质力学方法,通过引入势函数对土体振动方程进行解耦, 根据边界条件推导桩周土体位移和应力的表达式,并结合桩‐土耦合连续性条件推导出均质土体中水平抗力表达式。之后,基于有限元方法将桩和结构采用梁单元离散,进一步通过有限元离散得到土体水平抗力与桩位移之间的动力刚度矩阵,并将其与桩和结构的动力刚度矩阵耦合形成耦合有限元方程,从而建立了结构‐桩‐土体系动力响应的频域子结构模型。最后,通过 Abaqus 软件中的三维有限元模型对该方法进行了验证;利用提出的模型分析了土体动力刚度、土体阻尼和土体模型等对结构动力响应的影响,并分析了地震动一致和非一致激励对结构地震响应的影响。     

强地震动作用下地基土-地铁隧道结构的动力接触效应

将地基土-地铁隧道结构体系视为平面应变问题,采用记忆型嵌套面粘塑性动力本构模型和动塑性损伤模型,分别模拟土体和隧道结构混凝土的动力特性,用点-线接触单元模型描述强地震动作用下地基土-地铁隧道之间的相对滑移,利用罚函数法和拉格朗日乘子法求解动力接触效应,建立土-地铁隧道非线性动力相互作用的有限元分析模型,分析了动力接触效应对地基土-地铁隧道之间的法向接触压应力、切向接触剪应力和切向滑移的影响规律。结果表明:罚函数法比拉格朗日乘子法更适用于求解强地震动作用下地基土-地铁隧道之间的动力接触问题;与地基土-地铁隧道变形协调假定的计算结果相比较,动力接触效应使地铁隧道的地震加速度反应有所增大。     

地铁隧道地震反应数值模拟与试验的对比分析

根据可液化土层上土-地铁隧道结构动力相互作用大型振动台模型试验结果，以软件ABAQUS为平台，将地基土-地铁隧道结构体系视为平面应变问题，采用记忆型嵌套面粘塑性动力本构模型和动塑性损伤模型分别模拟土体和隧道结构混凝土的动力特性，建立了土-地铁区间隧道非线性动力相互作用的有限元分析模型。对各种试验工况下地基土-地铁隧道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：数值模拟与振动台模型试验结果基本一致，呈现出相似的规律性，相互验证了基于ABAQUS软件的力学建模和振动台试验结果的正确性。     

输电塔三维精确有限元模型

以呼伦贝尔辽宁之间的500kV直流输电线路的电塔体系为背景,采用ANSYS软件建立了土体-基础-塔-线体系的精确有限元模型,并对其进行了动力特性及其在风荷载作用下的动力反应分析,比较了考虑和不考虑基础和土时输电塔动力反应的差异,讨论了基础和土体对输电塔的影响,并分析了产生此种变化的原因。     

移动荷载下梯度非均匀土的动力响应

结合坐标变换,建立了梯度非均匀土地基在移动荷载作用下的动力控制方程,利用回传射线矩阵法推导出了频域内弹性地基的位移和应力的表达式。假设梯度非均匀土的物理力学性质沿深度方向按幂函数连续变化,采用数值Fourier逆变换获得了时域上位移和应力等物理量的数值解。通过数值算例,分析了土体非均匀性以及荷载移动速度对梯度非均匀土动力特性的影响。结果表明,梯度非均匀土的动力特性与均质土有着明显的不同,非均匀性对土体的动力响应有显著影响。在移动荷载作用下,均质土体竖向位移随着速度的增大而增大,而对梯度非均匀土的影响较小。     

能源桩-土体接触力学特征试验装置的研发与应用

研发了能源桩-土界面特性测试仪,在测试仪中安装可控温钢筋混凝土模型桩,在桩周围填充各类土体,模拟不同地基中的能源桩。通过对土体施加一定的恒定竖向荷载模拟不同深度的土层。模型桩中安装有换热管,利用低温恒温水浴,通过循环液控制桩体的温度,模拟能源桩吸热、放热过程。利用铂电阻温度传感器测量桩和土体的温度;利用安装在桩体表面上的微型土压力计测量桩-土界面的法向应力;利用FBG准分布式光纤传感技术测量桩体的周向变形。以砂土地基为例,通过冷热循环试验,准确得到了桩温、土温、桩-土界面的法向应力和桩的周向变形,说明EPSICA可以用于揭示桩-土界面的接触力学特征,为能源桩的热、力学行为研究提供了新的手段。     

基于复模态法的风电塔架体系地震反应分析

以往对风电塔架研究大多采用刚性地基的假定,忽略土—结构的动力相互作用。然而风电塔架在实际地震时,由于地基的柔性和无限性,使得按刚性地基假定计算出来的结构动力特性和动力反应与将地基和结构作为一个整体计算出来的结果有较大差别。因此,考虑土—结构相互动力作用(SSI)的风电塔架地震响应分析研究十分必要。以华能阜新风力发电塔架为例,基于复模态法分析考虑土—结构相互作用风电塔架地震响应,首先建立土—风电塔架体系计算模型,采用Novak模型对伐板的复刚度、复阻尼计算,然后建立土—风电塔架相互作用体系的地震反应方程,采用复模态分析方法对结构地震反应求解,可供风电塔架抗震设计参考。     

非均质土层中单桩水平简谐动力响应特性的数值分析

运用土动力学和结构动力学原理,基于改进的Winkler地基梁模型,同时考虑桩侧土的弱化效应和地基土层的成层非均质性,采用数理方程方法分别求解土与桩的振动方程,建立了水平荷载作用下单桩侧向简谐动力响应特性分析的计算力学模型和方法,并将所得结果与有限元计算结果进行对比分析,验证了所提出的计算方法的合理性。通过对影响单桩水平简谐动力响应特性的各相关参数进行变动参数分析,总结出了各影响参数对单桩水平简谐动力响应特性的一般影响规律。     

轨道交通荷载下路基土的动力学行为研究进展

随着高速铁路、城际列车、地铁和轻轨等快速轨道交通的迅速发展,以及既有铁路列车提速,列车高速运行引起的地基振动、永久变形以及一系列相关的土动力学和岩土工程问题已经成为亟待解决的关键问题。通过对国内外关于轨道交通荷载作用下地基土的动力响应的理论研究、现场测试、土的动力特性以及地基土的永久变形研究进行评述,分析和总结了目前轨道交通荷载作用下路基土研究中存在的问题,并提出了尚需进一步研究的建议。     

基于层状土推覆方法的盾构隧道抗震性能分析

当前对于地铁盾构隧道进行抗震分析时多基于弹性假设的简化设计方法,难以体现土体和结构的非线性特征;而动力时程分析具有耗时长,工作量大,考虑因素多等缺点使其在工程设计中的广泛应用受到限制。地下结构静力推覆方法具有概念清晰,考虑土体与结构相互作用,相比动力方法耗时大大减少等优点。而自适应层状土推覆分析可以改善地下结构静力推覆法的地震荷载加载模式,使之在含软弱夹层的场地中同样具有较高的精度。通过建立二维的土体-结构相互作用模型,采用自适应层状土推覆分析法对实际的单线地铁盾构隧道横断面进行拟静力弹塑性分析。绘制了其抗震性能曲线并发现了相对薄弱处的位置,并与动力时程的分析结果进行了比较,证明该方法有良好的精度。同时采用该方法对地铁盾构隧道抗震响应做了参数分析,给出了管片混凝土标号和土体模量的改变对隧道薄弱点受力的影响。     

短桩桩⁃网复合地基荷载传递规律及变形特征研究∗

为探索中低压缩性土短桩桩-网复合地基荷载传递规律及变形特性,依托赣龙(赣州-龙岩)高速铁路工程背景,借助现场测试数据,分析路堤填筑过程中桩—土应力/荷载分担比、地基沉降及侧向变形规律.结果 表明:短桩桩-网复合地基能够有效传递上部附加应力至桩端土层,土压力对上部荷载变化敏感度小于高压缩性软土桩-网复合地基;稳定时桩—土荷载分担比约为50％,桩与土同时发挥承载功效较好;地基沉降在填筑期达到占总沉降90％,侧向变形沿深度呈"弓"型分布,最大侧向变形25 mm,约为高压缩性软土桩-网复合地基60％;桩—土应力对上部荷载变化敏感性高于地基沉降,可依桩—土应力比变化判别地基沉降状态,达到评判工后沉降控制效果目的 .     

土-结构相互作用对铅芯橡胶支座隔震结构的影响

利用有限元方法,将隔震结构、基础和土体作为一个整体系统进行分析,研究了不同土性土-结构相互作用对基底地震动输入和隔震体系动力特性与地震响应的影响.分析结果表明,土-结构相互作用对基础隔震结构存在影响,因而在工程设计中,隔震结构不应忽略土-结构相互作用效应的影响.     

考虑SSI效应的基础隔震框架结构抗震性态水平分析∗

目前针对于基础隔震结构的性态水平研究往往基于刚性地基假设,未考虑 SSI 效应对结构损伤的影响。因此,为研究柔性地基上小高宽比基础隔震结构的抗震性态水平,本文以拟建结构为背景,利用 ABAQUS 有限元软件建立该小高宽比基础隔震结构建筑物的有限元计算模型,依据相关规范规定,选取 El?Centro 波、Kobe 波和卧龙波,通过改变土体等效剪切波速设计扩展出 5 种场地,分析了地震动特性、场地条件以及输入地震动加速度峰值对该结构地震反应的影响规律,对该结构的损伤程度进行了统计分析。结果表明：柔性地基上随结构?土体相对刚度比的增大,基础隔震结构的上部结构损伤和隔震层损伤均增大,且上部结构的损伤明显滞后于隔震支座损伤,IV 场地在同等条件下损伤最严重;中长周期地震波对于隔震结构损伤影响较大;选取了层间位移角、隔震层位移作为抗震性态水平的量化指标,基于计算结果,本文初步给出了两类指标与结构?土体相对刚度比的预测公式,提出了不同类别场地下小高宽比基础隔震结构的抗震性态水平划分及其破坏程度的物理描述。     

地基土特性变化对桩基抗震反应的影响

地震荷载作用下的桩基动力反应在工程设计中越来越受到重视。基于桩-土-结构整体动力有限元法,结合工程实例,建立有限元分析模型,设置粘弹性人工边界,研究水平地震荷载作用下地基土层特性变化对桩基抗震反应的影响。着重探讨了上软下硬和上硬下软两种土层分布情况下,软硬土层相对厚度及弹模比变化对桩基抗震反应的影响。结果显示:桩基和筏基交接处桩顶截面和软硬土层分界处的桩身截面均可能是内力最大截面,桩顶截面和软硬土分界处桩身截面都应是设计需考虑的控制性截面,地基土层特性变化对于桩基弯矩的影响较剪力的影响显著。     

地铁振动作用下上部正交综合管廊动力响应试验研究∗

为揭示地铁振动荷载作用下上部正交管廊的动力响应规律,采用缩尺物理模型试验的方法,利用激振电机模拟地铁列车运行时产生的振动荷载,研究地铁隧道?黄土地基?综合管廊传播路径下地铁运行振动的传播规律及管廊结构的动态响应特征。试验结果表明：地铁运行产生的振动由隧道顶部向上部土体传播的过程中表现出先骤减后缓慢减小的规律,加速度响应主要集中于隧道上部 40 cm（原型 4 m）区间,动态土压力则在隧道顶与其上部管廊垂直间距 80 cm（原型 8 m）全段均有较明显的响应。上部正交综合管廊顶、侧、底板与周围土体的动态接触压力响应明显,并且在相同振动荷载作用下表现出相对稳定的比例关系。随着地铁振动荷载的增强,上部正交管廊的结构加速度响应逐步增强,而管廊结构与周围土体的动态接触土压力增长幅度更为显著。     

土体约束特性对地下结构地震反应的影响研究

针对土体对地下结构的约束效应,从相对刚度、相对埋深和土与结构界面接触特性三个方面"研究土体约束特性对地下结构地震反应的影响规律。以大开地铁车站单层段为研究对象,以中柱层间位移角为结构地震反应评价指标,利用ABAQUS有限元软件建立二维整体时域动力有限元模型选取8种相对刚度工况、4种相对埋深工况和4个界面接触特性工况,分析地震动峰值加速度时刻地下结构的地震反应规律,结果表明:受土体约束特性的影响,相对刚度和相对埋深均存在一个抗震最不利范围在该范围内,地下结构地震反应最大;当接触界面摩擦系数f < tanp时,随摩擦系数的增大,地下结构地震反应增大;当摩擦系数f ≥ tanp时,摩擦系数的改变对地下结构地震反应影响很小。     

考虑地基刚度分区的能源支护桩有限元模拟北大核心CSCD

能源支护桩在工程实践中已有应用,但国内外相关研究甚少。以雄安城市计算(超算云)中心能源支护桩的应用为背景,使用COMSOL Multiphysics软件对深基坑桩锚支护结构进行了基坑开挖和变温过程的有限元模拟。在开挖模拟中通过对比模拟结果和现场实测数据,优化了模型参数设置,提出了同时考虑回弹区土体的卸载状态、剪切区土体的小应变刚度以及土体刚度随深度增加而增大的“地基刚度分区”建模思路;在基坑开挖模拟的基础上,研究了不同温度荷载对支护桩变形和内力的影响,并对如何在工程设计计算中考虑温度荷载对支护桩的影响提出建议。结果表明,考虑地基刚度分区的建模方法能有效优化基坑开挖线弹性模型的模拟结果,温度荷载对支护桩的变形和内力影响较小,工程设计时可以忽略。     

地震、列车竖向荷载共同作用下大跨桥梁的动力响应分析

以地震、列车荷载共同作用下的大跨桥梁为研究对象,基于有限元分析软件,建立了地震波斜入射下包括地基土体在内的车-桥耦合动力数值分析模型。通过改变地震波的入射角度及车速,对桥梁的动力响应进行了计算分析。结果表明,地震波入射角度对桥梁的动力响应有显著的影响,随着入射角度的增大,跨中竖向位移、速度都不断地增大;在地震作用下,列车速度对桥梁动力响应的影响相对较小,桥梁结构的动力响应并不总是随着列车运行速度的增加而增加,而是在某一速度达到最大;考虑土-结构动力相互作用(SSI)时,桥梁参考点处的竖向位移显著增大,而跨中弯矩有所减小。     

软土地区地表结构对盾构隧道地震响应影响的风险分析

本文基于ABAQUS有限元软件建立了软土地区地表结构-土-隧道相互作用的非线性有限元模型,地表结构采用置于刚性筏板基础的单自由度体系模拟。考虑地表结构的有无,不同的土体模型及地震荷载,通过水平地震作用下的动力时程反应分析,研究了地表结构对盾构隧道周围土体以及衬砌地震响应的影响。研究表明,地表结构的存在会增大隧道周围土体地震响应,从而引起隧道结构变形以及动态内力的显著增加,同时发现采用弹塑性分析下的隧道地震响应大于采用黏弹性分析。因此,地表结构作用是影响盾构隧道响应的重要因素,综合分析地表结构-土-隧道作用下的结构动态响应有助于更合理的预测地震荷载下盾构隧道结构安全风险。     

地震荷载作用下沉管地基砂垫层液化的可能性

以广州仑头—生物岛沉管隧道为背景,采用二维动力有限元模拟方法,分析了地震荷载作用下沉管隧道地基的动力响应,得到了地震荷载作用下地基土的动剪应力分布;通过对试验资料的分析,得到了沉管隧道地基砂垫层的抗液化剪应力,以此分析了沉管隧道地基土在地震荷载作用下的液化可能性,并提出了相应的抗液化措施,可供沉管隧道的抗震设计参考。