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。     

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。     

变频规则波输入下直斜群桩动力响应对比试验研究

通过对2×2直斜群桩结构进行振动台模型相似比设计,围绕不同频率正弦波输入下的非液化砂土与饱和砂土中群桩-承台-上部结构体系开展横向动力响应特性试验研究。结果表明:①在输入相同频率正弦波情况下,无论是直桩群还是斜桩群,其位于饱和砂土中的动力响应放大倍数均大于相应非液化砂土工况下的放大系数,且直群桩的横向动力响应比斜群桩动力响应更显著;②随着输入波频率的增加,各试验工况的承台结构动力反应系数均有所增长,直桩群和斜桩群在饱和砂土工况中的加速度和位移的放大倍数增长较非液化砂土工况明显,直群桩比斜群桩增长显著。     

基于热力荷载传递原理的能量桩长期响应研究

为研究能量桩的长期工作特性,通过引入Masing准则来建立桩-土荷载传递循环加卸载曲线,进而基于热力荷载传递原理来模拟循环温变荷载作用下能量桩的响应,然后基于现场原位试验,验证模型的可行性,最后研究不同冷热循环方式和桩顶荷载水平对能量桩长期响应的影响。研究结果表明:①循环温变荷载作用会使能量桩桩顶沉降和桩顶轴力不断增大,并最终趋于稳定;②相较于只提供制冷需求的能量桩循环方式,同时提供制冷制热需求的能量桩更容易引起桩顶残余沉降和残余温度应力的持续积累;③相较于桩顶轴力增量,建筑荷载的增大更容易引起桩顶残余沉降的积累。     

饱和砂土场地2×2高承台直斜群桩动力响应规律研究∗

为研究饱和砂土场地地震液化情况下直斜群桩水平动力响应规律,使用浙江大学ZJU400土工离心试验设备进行了饱和砂土场地2×2高承台直斜群桩的离心机振动台模型试验,通过两组试验分别对于不同土层处的加速度时程以及孔压比进行分析。同时,结合饱和砂土的液化情况,分别针对2×2高承台直斜群桩在振动过程中承台水平动力响应以及桩身弯矩峰值的变化进行了对比分析。试验结果表明:随着振动强度的增大,饱和砂土层液化深度逐渐增加,尤其在近桩位置土层孔压比变化更为明显;直群桩承台水平加速度峰值在一定范围内出现了放大的现象,而斜群桩承台则基本未发生此显现;随振动强度的增加桩身弯矩峰值分布发生较大变化,其变化情况与饱和砂土液化有着较为密切的关系,在0.05g和0.1g工况下斜群桩桩身弯矩峰值明显小于直群桩,而0.3g工况时斜群桩桩身弯矩峰值出现了显著增加的现象并超过了同工况下直群桩情况。     

冬季工况下微型钢管桩热力响应特性数值分析

结合微型钢管桩热力响应特性现场试验,基于数值模拟方法,研究了冬季工况下流速、布桩形式等因素对微型钢管能量桩热力响应特性的影响规律。研究结果表明:换热效率增幅随流速的增加成非线性增长且最终趋于稳定,就本项目微型钢管桩而言,最佳流速为0.51~0.77 m/s;桩身轴向最大附加拉应力约为桩身混凝土抗拉强度设计值的53.8%,不会导致桩体破坏;桩身轴向最大附加拉应力与温度改变之间的关系约为σ-T=110ΔT。     

刚性桩复合地基地震响应的拟静力简化计算方法

刚性桩复合地基在建筑结构中已得到广泛应用,但对其地震作用下的动力响应研究还不够充分。采用上海市《建筑抗震设计规程》8度罕遇地震的规范标准反应谱拟合生成人工地震波,以软土场地中的某10层钢筋混凝土框架结构为对象,将土体自由场变形和上部结构惯性力对桩身内力的影响分开考虑,提出一种拟静力简化计算方法,分析刚性桩复合地基的地震响应。并建立刚性桩复合地基-筏板-上部结构体系整体有限元模型,利用数值方法进行动力时程分析,验证了拟静力方法的合理性。进一步分别计算了自由场位移对桩基的作用、刚性桩复合地基-筏板-上部结构体系整体地震响应以及桩筏基础地震响应。结果表明:拟静力方法与数值方法较为吻合,复合地基的桩身内力和筏板底加速度峰值均小于桩筏基础,褥垫层对地震波具有滤过作用,显著减轻了地震的作用效应。     

地震作用下地裂缝场地地表动力响应特性研究∗

为了准确描述地裂缝场地动力特征,利用 ABAQUS 有限元软件建立了地裂缝场地三维动力数值分析模型, 定量分析了地裂缝场峰值加速度(PGA)、峰值速度(PGV)、Housner 强度(HI)和 Arias 强度(I_a )在不同地震作用下的变化趋势,获得了地裂缝场地动力响应规律,并与振动台模型试验结果进行了对比,表现出较好的一致性。结果表明：上盘的动力响应放大系数及影响范围均比下盘大,在地裂缝附近达到最大并向两侧递减,呈“λ”分布;随着地震烈度增大,土体软化程度增强,动力响应放大系数和裂缝两侧放大系数的差值逐渐减小;场地下盘的地震动长周期分量较丰富,平均周期相对上盘表现出较大的特性;在同一地震烈度不同输入方向引起的上、下盘动力响应中, 垂直地裂缝方向作用的地震波对场地破坏较为严重。其研究结果可为地裂缝场地的工程应用提供重要参考。     

桩顶约束下桥梁大直径能量桩热力响应现场试验北大核心CSCD

能量桩是一种绿色新技术,符合工程建设节能减排与绿色发展理念。为了研究大直径能量桩的热力学特性及结构响应,依托河南省三门峡灵宝市国道310底董桥台2×2群桩基础,在大直径灌注桩内埋设换热管形成能量桩。开展了无荷载夏季工况能量桩热响应现场试验,实测能量桩运行期间出、入水口温度、应力、回温后残余温度、温度变化量-热致应力/轴力关系、桩顶位移等变化规律。试验结果表明:三组不同流速试验下,流速增大,桩身温度、应力有小幅增大;停止试验后回温5 d后残余温度仍有16%~28%,7 d后回温残余温度约11%~17%;桩身最大应力约为3.5 MPa;能量桩桩顶累积变形-0.98 mm(约仅为桩径的0.81‰);桩顶在单桩无荷载、无荷载承台群桩约束、单桩逐级加载、恒载承台群桩约束的不同条件下,K值分别为28.6%、37.8%、43.2%和71.4%;试验流速为0.6、0.8 m/s,每平米桩-土接触面积换热量q分别是0.4 m/s流速下q的53%和128%。     

驳船撞击下RC桥墩的非线性动力响应与损伤特征分析∗

针对世界范围内时有发生的船舶撞击桥梁事故,为研究桥墩在驳船撞击下桥墩的动力响应与损伤特征,建立了驳船?桥墩碰撞的有限元模型。通过与已有落锤冲击试验的结果进行了对比,对本文有限元模型的可靠性进行了验证。基于本文建立的驳船?桥墩碰撞有限元模型,分析了 1 000 t 驳船以 4 m/s 速度撞击下桥墩的动力响应与损伤变化机理,并研究了驳船撞击速度、撞击吨位、撞击点以及轴压比对损伤特征的影响规律。结果表明,桥墩较不利部位为撞击点区域与墩底区域,钢筋应变率效应使钢筋屈服强度提高 11.7%~22%,一定程度上会增大桥墩抗力; 撞击速度与吨位会影响桥墩的损伤程度,但不会影响桥墩的损伤特征;撞击点与轴压比的变化会改变桥墩的损伤程度与特征;随着撞击点的减小与轴压比的增大在一定程度上会增大桥墩的抗撞能力。     

水泥土桩复合地基场地地震效应分析

将复合地基加固区视为均质体,采用课题组提出的基于Davidenkov骨架曲线的土体动弹塑性模型描述复合地基加固区和非加固区土体的动应力-应变关系,基于大型有限元软件ABAQUS的操作平台,开发了土体动粘弹塑性模型的子程序。选择南京某典型软弱场地为研究对象,采用ABAQUS软件进行了复合地基二维弹塑性地震反应分析,研究了输入地震动强度和频谱特性、水泥土桩加固宽度和深度、复合地基模量对复合地基场地地震效应的影响。结果表明:输入地震动强度和频谱特性对复合地基地震效应影响较大;复合地基加固区地表的峰值加速度反应较自由场的反应明显减小,而加固体区外侧地表的峰值加速度反应较之自由场的反应可能增大;复合地基地表的峰值加速度反应随着水泥土桩加固深度和复合模量的增加而减小,而与加固宽度无关。     

粘弹性地基上钢筋混凝土方板在低速撞击下的动力响应分析

针对工程中所遇到的撞击问题,在事先仅知道初速度的情况下,研究分析了半无限线性粘弹性地基上的钢筋混凝土方板受低速刚体撞击时的动力响应问题。与高速冲击问题中板结构发生局部破坏的情况不同,低速撞击下板结构发生的是整体响应破坏,因此计算时主要考虑结构的整体响应,但仍须考虑撞击局部损伤影响。建立了局部变形和整体响应间的关系模型,根据该模型推导出钢筋混凝土方板在低速撞击下位移响应w(x,y,t)和撞击反力p(t)的表达式,并结合算例讨论了粘弹性地基对计算结果的影响。     

液化侧扩流场地桩基动力反应振动台试验数值模拟

针对已完成的振动台试验,采用OpenSees数值模拟计算平台,建立液化侧扩流场地群桩振动台试验数值模型。该模型中,采用线弹性梁柱单元模拟桩和挡墙,采用刚性连接单元和零长度单元模拟桩-土界面。自由水体通过施加节点孔压和节点力模拟。引入多屈服面塑性本构模拟饱和砂层,采用两相完全耦合的u—p形式模拟土体位移和孔压。通过对比振动台试验结果表明,建立的有限元数值模型能够可靠地再现砂层和桩基的动力响应,进而验证数值模型的可靠性。同时,针对两个代表性时刻,分析了桩-土体系的侧向变形响应。所采用的分析方法和相关结论也为同类桩-土体系数值模拟提供一般性分析方法和思路。     

基于FLAC3D液化场地桩基动力反应振动台试验数值分析方法∗

液化场地桩基动力响应是岩土地震工程领域重要的研究课题,而研究液化场地桩基动力响应有效的方法包括大型物理模型试验和数值模拟。鉴于此,针对已完成的振动台试验,采用 FLAC3D有限差分计算程序,建立了液化场地桩?土动力相互振动台试验数值模型。在数值模拟中,承台采用实体单元,桩采用桩单元,柱墩采用梁单元, 考虑液化效应的饱和砂土采用 Finn 模型,粘土采用 Mohr?Coulomb 模型。模型边界采用自由场边界,采用弹簧?滑块?裂缝单元模拟桩?土界面。通过对比振动台试验结果表明：建立的有限差分数值模型能够再现结构和地基的动力响应,进而验证了数值模型的可靠性。同时,分析了引起数值计算结果与试验结果差异的主要原因。所采用的数值分析方法对类似布置的桩?土相互作用数值分析提供参考与借鉴。     

风浪流共同作用下海上风电基础与海床的动力响应分析

我国近海风资源丰富,但由于海洋环境条件的复杂性,开发利用近海风资源的规模和效益受到很大的制约;而风、波浪和海流等作为近海主要环境荷载对近海风机的正常运行起到决定性作用。采用谐波叠加法模拟得到近海风电场的风荷载时程,利用Morison方程和非线性波浪理论推导了波浪荷载和波流荷载的计算公式,最后根据Turkstra准则将风浪流荷载进行叠加组合,建立风浪流荷载共同作用下海上风电基础与海床动力相互作用的三维有限元计算模型。基于此模型,针对不同荷载组合条件下风机塔筒的水平位移、竖向应力以及基础的水平位移、桩身弯矩、桩身剪力等进行了动力分析,同时对风浪流荷载共同作用下桩基础周围海床的超孔隙水压力响应进行了计算分析,讨论了不同的荷载参数对海床超孔隙水压力的影响。结果表明:风荷载对风机塔筒顶端水平位移、塔底应力影响较大,波流荷载对风机基础顶端水平位移、桩身弯矩、桩身剪力影响较大,而波浪荷载则对海床孔隙水压力影响较大。可取最大风荷载和最大波流荷载叠加波浪荷载时程的组合为最不利组合方式。     

黄土边坡动力响应分析

运用有限差分软件FLAC3D,建立了某一黄土边坡三维模型,首先对其在地震作用下的动力响应规律进行了总结,然后探讨了地震动参数对黄土边坡动力响应的影响。结果表明:黄土边坡对地震波存在垂直放大和临空面放大作用;当输入地震波振幅或频率增加时,坡面监测点加速度放大系数随坡高增加呈"增加→衰减→增加"的三段形态;速度放大系数随坡高的增大而增大,并在坡顶达到最大值;位移放大系数随振幅和频率的增加而增加;地震持时对加速度、速度峰值的影响不大,但坡体位移随持时的增加而显著增加。强震作用下的最大剪应变增量区域的位置和形状表明,黄土边坡的破坏模式仍是沿着某一弧形潜在滑动面失稳破坏。研究结果有助于进一步揭示黄土边坡在地震作用下的失稳机制,为黄土地区边坡抗震设计与防灾减灾提供参考。     

长短桩复合地基承载力发挥系数取值研究

根据水泥土长短桩复合地基试验结果,得到了考虑荷载水平的水泥土长短桩复合地基承载力计算公式。然后,考虑复合地基中桩体、桩间土和复合地基沉降量之间的相互关系,利用现场载荷试验成果,对单桩复合地基和长短桩复合地基的桩间土承载力发挥系数和合理的s/b取值范围进行了对比研究,得到了长短桩复合地基桩间土承载力发挥系数的计算方法。结果表明:长短桩复合地基桩体先于桩间土出现破坏,桩体极限荷载点对应的复合地基s/b值为s/b的上限;当垫层模量Ec为100M Pa时,长短桩复合地基s/b上限为0.0034,对应的桩间土承载力发挥系数为0.29。     

软土地基⁃浅基础体系地震反应数值分析∗

软土场地中的天然地基浅基础在强震作用下易产生失稳及震陷等破坏,在设计过程中充分考虑并利用其土结相互作用的影响,可以有效提高体系的抗震性能.基于OpenSees有限元计算平台,建立包含土结接触面的软土地基-浅基础二维平面应变模型,计算分析了不同地震动输入和基础上部荷载对体系地震动、基础震陷量和基底反力分布的影响,结果表明:强震作用下软土场地对地震动的放大作用减弱,但会产生大变形,因此抗震设计的重点应着眼于地基基础的大变形;上覆荷载大小对最终震陷值和震陷范围影响显著,而未改变震陷曲线间的相对形态;地震动能量的累积时间及累积速率影响软土地基-浅基础体系震陷的发展,抗震分析中应考虑场地设计地震动的有效持时和阿里亚斯强度;采用碎石桩等加固措施可改变基底压力分布形态,从而有效的提高体系的抗震性能.     

吸力式桶形基础多桶组合结构承载力特性研究

海洋采油平台结构中一般采用多桶组合基础型式,然而迄今对多桶组合结构尚缺乏理论分析和实验研究。本文针对我国第一座吸力式桶形基础采油平台CB20B,基于单桶基础在复合加载模式下的承载力特性,建立了双桶、四桶组合基础的三维有限元数值计算模型,探讨了对称多桶基础结构与单桶基础结构的承载力特性之间的相互关系,阐述了不同桶间距的多桶组合结构地基破坏机制,为工程设计提供参考依据。