动水压力和PSI对深水高墩桥梁抗震性能的影响∗

以我国西部地区某库区一深水高墩大跨连续刚构桥梁为工程背景,考虑动水压力、桩-土相互作用以及二者联合作用的影响,确定了六类不同的分析工况,利用OpenSEES源代码分析平台分别建立有限元模型,通过输入两组空间地震波进行非线性时程分析,讨论了动水压力和桩-土相互作用对深水高墩大跨桥梁动力特性和抗震性能的影响。研究结果表明,考虑动水压力和桩-土相互作用会降低高墩大跨桥梁的振动频率,且二者的影响主要体现在下部结构振型参与率较高的高阶模态;动水压力效应会增加高墩在地震作用下的动力响应,但桩-土相互作用对非线性分析结果的影响没有明显的规律;同时考虑动水压力和桩-土相互作用时,深水高墩桥梁的地震响应并不是简单的相互促进或相互抵消,而与地震动的大小、频谱特性等相关;强地震作用下桥梁结构的桩顶水平位移较大时,抗震设计中更适合采用"p—y曲线"法模拟桩-土相互作用效应。     

考虑水流-结构强耦合作用的水流动力效应分析

在深水桥墩及桩基础等结构地震反应中,地震激励下的水流动水压力对水中结构的作用以及结构位形变化对水体的反作用,属于典型的流固强界面耦合问题.以一顶端伸出水面的圆柱式结构为研究对象,基于任意拉格朗日-欧拉描述的Navier-stokes方程,建立了考虑水流-结构强耦合效应的水流-结构三维有限元模型.以正弦位移波输入,考察结...     

沉井加桩复合基础水平动力响应特性

沉井加桩复合基础是一种结合沉井及群桩各自优点形成的新型跨江海桥梁深水基础型式。在复杂的江海环境下,基础将承受强风、波浪及地震等引起的水平动荷载作用,其水平动力特性研究是复合基础合理设计施工和推广应用的重要保证。基于动力Winkler模型分别提出了沉井加桩基础的频域非线性及时域非线性计算方法,并同有限元对比验证了简化方法的正确性。通过算例进一步分析了冲刷对沉井加桩基础动力特性的影响规律,结果表明,土体应力历史及土体非线性对复合基础动力阻抗、共振幅值及频率均有显著影响。     

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。     

考虑流固强耦合效应的深水桥墩地震反应分析

基于任意拉格朗日-欧拉(Aribitrary Lagrange-Euler,ALE)描述的Navier-Stokes方程,建立了考虑流固强耦合效应(Fluid-structure interaction,FSI)的深水桥墩地震反应分析整体有限元模型,分析了流固强耦合效应对桥墩墩身相对位移、剪力和弯矩反应的影响,讨论了不同水位下的流固耦合效应及其影响。算例结果表明:流固强耦合效应将使墩身位移和内力反应明显增大,增大幅度与输入地震波的频谱特性存在相关性;输入地震波的位移峰值越大,流固耦合效应对位移反应的影响越大,对内力反应的影响越小;水位对深水桥墩内力反应的影响较对位移的影响显著。     

考虑群桩-土相互作用的梁式桥子结构拟动力试验方法研究

考虑群桩-土相互作用影响,对梁式桥在顺桥向水平地震作用下的子结构拟动力试验方法进行了研究。在建立的结构试验模型中,可以取桥梁支座、桥墩或桩基础作为试验子结构置于异地实验室进行试验实测,其余部分进行数值模拟。基于网络化结构实验室Net SLab系统,开发了考虑群桩-土相互作用的梁式桥远程协同子结构拟动力试验程序。进行了一系列梁式桥远程虚拟子结构拟动力试验,并将试验结果与SAP2000时程分析结果进行了对比,验证了试验程序的可靠性。     

爆破地震作用下桩-土-结构相互作用的数值模拟

土-结构动力相互作用是地震工程和结构抗震的重要研究内容,但目前对爆破地震作用下土-结构动力相互作用的研究较少。运用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA,建立了桩-土-结构相互作用体系的三维有限元模型,由桩尖输入实测爆破地震波,取得了良好的计算效果。计算结果表明:考虑桩-土-结构相互作用后,群桩基础中每个桩的位移、加速度和剪应力幅值均呈桩顶大、桩尖小的倒三角分布,桩与承台的接合部比较容易受到损坏;桩-土-结构相互作用体系在爆破地震波冲击后,还会发生几次振动,但是这些振动产生的影响要小于爆破地震产生的影响,这与实测结果相符合;爆破地震波冲击下,群桩基础中,角桩顶部表面的桩土接触压力较大,但在爆破地震波冲击后,中心桩顶部表面的桩土接触压力较大,且具有一定的周期性,直至衰减为零。     

桩‑土相互作用下的桥梁高墩地震易损性复合参数分析∗

为更准确地预估桥梁高墩在地震作用下的损伤情况以及桩?土相互作用对高墩地震易损性的影响,以考虑高阶振型贡献的复合参数作为地震动强度参数,以综合位移延性比和弹塑性耗能差率的复合指标作为高墩的损伤指标,建立了墩柱、承台及桩?土结构体系模型,基于增量动力分析方法对上述体系进行非线性动力时程分析,绘制基于复合指标的桩?土相互作用下的桥梁高墩地震易损性曲线。结果表明：以所选复合参数作为指标进行地震易损性分析,可有效评估高墩抗震性能和损伤状态;考虑桩?土相互作用可更准确捕捉地震作用下结构损伤概率变化情况; 桩?土相互作用对较强地震动作用更为敏感。可为较高烈度地区的高墩桥梁抗震设计施工提供参考。     

大型渡槽结构动力学研究进展(2010-2019)

渡槽是跨流域调水、输水工程的关键性架空建筑物,其动力性能的理解与应用关系到调水工程的"安全,经济、适用和美观"。系统梳理和总结近十年内大型渡槽结构动力学的研究进展,为渡槽工程下一个10年的发展提供学术与实践方向。在过去的10年里,考虑水体与槽体间的相互作用进行渡槽结构系统的动力学分析及抗震(风)设计,已取得共识。系列研究厘清了槽体与水体的相互作用机理及槽内动水压力的特点,并在槽内水体晃动的等效模型上取得了重要成果,这些成果促进了水工建筑物抗震规范的完善与实施;另外已有学者就土-桩-渡槽结构动力相互作用做了系列研究,表明在进行渡槽结构动力学研究时,有必要考虑土-桩-结构的相互作用;渡槽结构与桥梁类似,学者们从桥梁抗震的多点地震输入问题考虑,研究了多点地震输入对渡槽结构地震反应的影响,认为大跨度渡槽结构应考虑地震波的多点输入;系列研究表明,隔震、消能减震及结构控制方法已在渡槽动力学研究与实践中展开,且可有效的提高渡槽结构体系的整体抗震性能。同时,基于工程结构的被动,半主动,主动控制以及动力学可靠度理论已在渡槽工程中渐露曙光。未来,大型渡槽结构动力学的研究将趋向于系统防灾和智能控制。     

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。     

液化土体侧向扩展条件下群桩动力响应振动台模型试验

为研究液化土体侧向扩展对群桩基础动力响应的影响,设计了可液化场地流动变形对桩基础地震反应影响的小型振动台模型试验。采用"钢带法"估计不同位置、不同类型场地地基土的侧向位移,探讨了地基土侧向流动速率与桩基结构地震内力的相关性,对比分析了上部结构惯性力及场地类型对桩身内力反应的影响,研究了由倾斜场地土体侧向扩展导致的群桩偏移运动。试验结果表明,桩周及下游土体的侧向位移随着土层深度的减小而逐步增大。可液化土体发生液化时所产生的流滑效应促使土体孔压加速消散。在水平场地条件下,土体侧向扩展沿土层深度方向线性分布;而倾斜场地条件下,土体的侧向扩展沿土层深度呈"抛物线型"分布。随着地基土液化,群桩基础受到的土体侧向约束力逐渐降低,进而使得群桩的峰值位移逐渐减小。     

基于修正惯用法的埋深对圆形隧道地震反应影响∗

采用修正惯用法,在考虑土拱效应对圆形隧道结构受力状态影响的基础上,研究了埋深对地下结构地震反应的影响规律。首先,对比分析了不考虑和考虑土拱效应时、地震荷载作用前,隧道结构内力分布及随埋深的变化规律;将作用于隧道结构上的水平地震荷载等效为围岩土体变形导致的土压力的改变值;继而探讨了考虑土拱效应后,地震荷载引起的隧道结构内力的改变,研究了不同地震动强度下,埋深对圆形隧道结构地震反应的影响规律。 研究结果显示,地震作用下,圆形隧道结构的内力随着埋置深度的增加呈现出先增大后减小或趋于稳定的趋势,即圆形隧道结构地震反应存在一个抗震关键埋深。     

覆水场地地震反应分析

随着各种海洋结构物的兴建,覆水场地的地震反应逐渐成为研究热点。基于任意拉格朗日-欧拉描述,推导时变区域上的流体运动方程,给出流场、结构的接触条件和流场网格运动控制方法。对于平坦覆水场地,水平向地震动作用下,根据Couette流理论证明该类场地流体作用可以忽略;竖向地震动激励下,横向均匀场地可以通过动水压力公式准确考虑流体作用,横向非均匀场地则需要通过流固耦合方法考虑流体作用,以海底隧道为例加以说明。对于起伏场地,天然起伏场地在地震动激励下的动力反应具有明显的流固耦合特征,以三角形起伏场地为算例;结构物的兴建造成的人工起伏场地同样需要考虑流固耦合效应,以某沉管隧道在水平向地震动激励下的动力反应为算例,并根据结果初步提出该类结构物流固耦合分析的简化计算方法。     

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。     

饱和土-隧道动力相互作用对地震动土作用和孔隙动水压力的影响

本文利用间接边界元方法,研究了饱和土-隧道动力相互作用对隧道地震动土作用和孔隙动水压力的影响,考虑了不同隧道质量和埋深,以及地震波斜入射情况。饱和场地根据Biot理论模拟为两相介质,通过将饱和两相介质模型所得隧道地震动土作用与单相介质模型结果进行比较,分析了饱和土骨架和孔隙水动力耦合作用的影响。结果表明,饱和土-隧道动力相互作用对地震动土作用有明显放大效应,本文算例中,隧道水平地震动土作用较自由场结果最大放大1. 7倍,竖向地震动土作用较自由场结果最大放大1. 6倍;饱和土骨架和孔隙水的动力耦合作用对隧道地震动土作用大小也有显著影响,本文算例中,单相介质模型所得地震动土作用较饱和两相模型的最大差别可达210%。     

沿海地区兆瓦级风电结构地震响应分析

风力发电结构在地震情况下易发生整体倾覆、塔筒弯折等破坏。若同时考虑风荷载作用,则结构破坏风险增加。采用APDL命令流建立某沿海风电场1.5 MW级风电结构的"叶轮-塔筒-桩基"一体化有限元模型。通过单桩刚度折减,计算不同液化情况下的风电结构自振特性及结构地震响应。采用实测地震波和基于自回归法模拟获得的风速时程,计算风电结构在地震荷载单独作用以及地震荷载和风荷载共同作用两种情况下的动力响应。结果表明,随着液化程度的加深,轮毂水平位移和最不利单桩内力逐渐增大,在中等液化情况下塔筒底部应力出现最大值。考虑风荷载后,轮毂水平位移、塔底应力和最不利单桩内力均有所增加,其中背风面塔底应力和最不利单桩内力增加最为明显。     

非规则多跨简支梁桥纵向地震反应及参数影响分析

考虑支座非线性和桥墩弹塑性的影响,建立了不等墩高5跨非规则简支梁桥的有限元模型。采用非线性时程分析方法计算了不同地震波输入下多跨简支梁桥的纵向地震反应,研究了非规则多跨简支梁桥邻跨刚度比及上部结构间相互碰撞效应对桥梁纵向地震位移反应和内力反应的影响规律。研究表明,邻跨刚度比对非规则多跨简支梁桥的桥墩剪力、墩底弯矩、墩顶位移、梁体位移、墩梁间相对位移及主梁间相对位移有着显著的影响,并且邻跨刚度相差越大,影响越为显著,更容易使上部梁体发生落梁破坏;考虑桥梁上部结构碰撞效应时,邻跨比对桥梁结构反应的影响受地震波的影响较大,碰撞未必加剧落梁破坏。     

桩-土-桥梁结构相互作用对斜拉桥减震控制的影响

基于Open Sees平台建立了桩-土-桥梁结构相互作用的非线性有限元模型,参照benchmark模型定义了8个斜拉桥性能评价指标,考虑脉冲型地震动的影响,分析了桩-土-结构相互作用对斜拉桥地震动响应的影响。研究显示,桩-土-结构相互作用效应对阻尼器减震效果的影响很大,无论是速度相关型阻尼器还是位移相关型阻尼器,大部分指标的控制效率均严重下降,特别是在脉冲型地震动作用下减震效率降低更加明显。     

土-大型地铁地下车站结构动力接触效应研究

以苏州地铁一号线的星海站为工程背景,考虑土与地铁车站结构非线性动力相互作用效应,分析了土与地下结构接触面的动力分离与滑移效应、土与地下结构接触面上动土压力和动摩擦力的分布规律与反应幅值,以及动力接触效应对地铁车站结构动力反应的影响规律。研究结果表明:强地震发生时,在地铁地下车站结构侧墙顶端,出现了土与结构接触分离现象,在车站结构顶底板处,土与结构产生了相对滑移现象;考虑动力接触效应时,地下结构总体动力反应是变小的。给出了车站结构侧墙上动土压力分布规律及其动土压力系数,以及车站结构顶底板上的动土压力分布规律及其反应幅值。研究结果对进一步了解土与地下结构的动力接触效应及其对地下结构动力反应的影响,具有一定的参考价值和指导意义。     

矩形柱体地震动水压力的附加质量简化模型∗

针对矩形柱体在水中的振动问题,提出一种代替水-结构动力相互作用的附加质量模型。基于矩形柱体动水压力的计算公式、自由振动方程、自振频率和振型的计算公式,建立了水中矩形柱体地震动力反应的计算公式;基于柔性结构的一阶频率降低率,建立了矩形柱体柔性运动引起动水力的附加质量简化公式,并给出了水中矩形柱体自振频率的简化计算公式;基于刚性运动引起的动水力,建立了矩形柱体刚性运动引起动水力的附加质量简化公式;建立了地震作用下水中柱体结构的简化分析模型,即分别采用柔性和刚性运动附加质量的简化公式代替相应的水-结构相互作用。