基于弹塑性模型的群桩-土-结构动力非线性数值分析

提出一种群桩-土弹塑性模型,结合动力文克尔理论,推导出了与桩(筏)-土属性及SSI体系频率相关的各项弹簧-阻尼单元动力阻抗,建立了三维框架土-结构相互作用有限元简化分析模型。针对不同地震激励,在不同桩-土条件下对模型进行了动力非线性时程分析,结果表明,在某些地震动和土-基础条件下,上部结构非线性作用效应结果可能大于固基假定情形,且桩-土弹塑性模型对上部结构柔弱层位置产生影响。应用本文简化方法可以快速、较准确有效地进行复杂的上下部结构动力时程分析及抗震评估。     

层状土中考虑频域内轴向力分担的群桩水平动力阻抗

以动力文克尔梁模型为基本理论，在充分考虑了土的分层以及桩顶轴向力参与作用后导出了一种新的计算层状介质中水平动力相互作用因子的方法，进一步扩展了群桩-土相互作用简化法的应用范围，可以计算任意构型、桩数、土层属性下的群桩系统阻抗反应，其计算工作量较小，是其它数值方法难以比拟的。数值计算结果表明；桩顶轴向力的引入不能从本质上改变桩基振动形式，但考虑竖向振动附加影响的水平激振作用会产生相当的动力P-△效应，致使水平单、群桩阻抗效应降低，位移反应增大，同时桩间动力相互作用影响也较单-水平力作用时有明显规律性的增强。     

土-桩-结构相互作用体系随机地震反应分析

本文采用随机振动理论与有限元技术相结合的方法，以基岩随机地震作为输入，对群桩基础和土-桩-结构相互作用体系进行了三维随机地震反应分析。文中首先以一3X3群桩基础作为分析模型，探讨了桩-土-桩动力相互作用对承台随机地震反应的影响；然后，用单自由度体系模拟上部结构，分析了上部结构惯性对桩基承台随机地震反应的影响。在此基础上，以某桥桥墩为背景，用多自由度体系模拟上部结构，建立了土-桩-结构相互作用体系的三维分析模型，获得了桩基承台的功率谱响应、以及桩顶处的主应力标准差和主应力速率标准差等结果，探讨了群桩顶部各桩主应力标准差的分布规律，得到了一些有应用价值的结果。     

桩-土-结构相互作用对大跨度斜拉桥地震响应的影响

土层条件对结构在地震作用下的破坏有很大影响。本文旨在对考虑桩-土-结构动力相互作用(PSSI)对大跨度斜拉桥地震响应造成的影响进行评估。文中将桩-土相互作用理想化为采用连续分布的水平弹簧和粘滞阻尼器的Penzien模型,并用ANSYS有限元分析软件对苏通大桥整体模型进行地震响应时程分析来研究PSSI的影响。可以看出,PSSI对苏通大桥地震响应有显著影响,如果忽略PSSI效应,大部分响应将被低估。     

桩-土接触效应及对桥梁结构地震反应的影响

目前有关涉及桥梁桩基础地震反应的研究大多是基于桩与桩侧土体之间无相对滑动、位移保持协调的假定。本文针对地震作用下桥梁桩基础的接触面效应及其对结构地震反应的影响问题,以某桥梁工程为背景,通过在桩-土交界面处设置接触单元来模拟桩-土间的接触非线性,建立了土-桩-桥梁结构相互作用体系的三维分析模型。利用这一模型,分析了地震作用下桩-土交界面处的动力反应形态,探讨了桩-土间的接触非线性及其对桥梁结构地震反应的影响。初步分析结果表明：在强震作用下,桩-土间会产生较强的接触非线性,在本文模型中,这种非线性主要表现为桩-土交界面处的滑移;考虑桩-土间的接触面效应将使结构的位移反应结果较基于桩-土间位移协调的情形有所增大。     

垂直受荷群桩在半空间饱和土中的稳态反应

研究了均质半空间饱和土中群桩在垂直稳态荷载作用下的动力反应问题。半空间饱和土采用Biot提出的三维波动原理。将桩看作是一维的弹性杆单元。利用圆形简谐载荷作用下的Biot固结方程的基本解和桩土之间的变形协调条件得到饱和土中群桩的第二类Fredholm积分方程,群桩的动力阻抗采用动力相互作用因子的方法。分析桩距等参数对群桩阻抗、轴力和孔压等的影响。本文的方法可以用于计算层状饱和土中群桩的动力反应问题。     

基于能力谱法的土-桩-结构相互作用分析

本文基于能力谱方法对天然地基上带群桩基础的高层框架结构进行了平面静力弹塑性分析.文中首先应用子结构原理,将群桩基础用一组弹簧来模拟,并用Davies方法确定群桩刚度,建立了土-桩-高层框架结构相互作用体系Pushover分析模型;在此基础上,分析了均匀分布方式和依各层质量与第一弹性振型乘积比例分布等两种侧向加载模式下土-桩-结构相互作用模型和刚性地基模型的结构各性能点的加速度谱值Sa和位移谱值Sd、以及基底剪力和顶点位移等,探讨了不同地震烈度(7度、8度和9度)下两种不同分析模型间的结果差异,得到了一些有应用价值的结果.     

圆柱形储罐考虑桩土相互作用地震响应的简化分析

以Penzien集中质量模型为基础建立了某圆柱形锚固储罐考虑桩-土-罐相互作用及罐壁柔性的简化分析模型,采用有限元软件ABAQUS建立了该桩-土-罐力学模型,分析了其自振特性及在水平基岩波激励下的动力响应.分析结果得知,相比于刚性地基,考虑桩土相互作用的储液罐对流频率几乎不变,第一阶柔性脉动频率略有减小;在动力响应方面,储液罐基底剪力和力矩最大值略有减小,但其对流分量和刚性脉动分量最大值均有增大,所以本文建议在储液罐进行设计时应充分考虑桩土相互作用后储罐动力响应的有利和不利变化,从整体上把握来确保储液罐的抗震安全性.     

桩基承载力计算程序GPILE

介绍了单桩和群桩承载力计算程序 GPILE。该程序利用 P-Y曲线、T-Z曲线和 Q-Z曲线将土体与桩之间的相互作用模拟为一系列非线性弹簧 ,然后通过迭代求解桩的变形和内力。在计算群桩时可以考虑群桩效应。另外 ,还可以在桩基上增加上部结构 ,从而考虑桩基和上部结构的共同作用     

土-结构动力相互作用分析中基于人工边界子结构的地震波动输入方法

数值模拟是解决土-结构动力相互作用问题的重要手段,而合理地实现地震波动输入直接影响地震作用下土-结构动力相互作用问题数值模拟的精度。波动法是目前常用的地震动输入方法之一,该方法将输入地震动转化为人工边界上的等效荷载,相较于其他地震动输入方法,波动法模拟精度高,但实施上相对复杂。从有限元模型入手,推导了采用波动法确定等效输入地震荷载的另一种形式,以此为基础,提出了一种在人工边界上实现地震动输入的新方法。新方法通过对土-结构有限元模型中由包含人工边界节点的单元组成的子结构施加自由场位移时程并进行动力分析,直接获得可实现地震波动有效输入的等效荷载,然后将等效输入地震荷载施加在土-结构模型的人工边界节点上,从而完成土-结构动力相互作用问题分析中地震动输入和地震反应计算。与原有波动法相比,新方法避免了需分别计算人工边界上自由场应力和由引入人工边界条件带来的附加力,以及需要根据不同人工边界面确定荷载的作用方向等较为复杂的处理过程,具有等效地震荷载计算简便、地震动输入过程更易于实施的特点。采用竖直入射和斜入射地震波动作用下的弹性半空间和成层半空间地震反应算例验证了新方法的有效性。      

考虑土体三维波动效应时弹性支承桩的振动理论及其应用

从三维轴对称土体模型出发,同时考虑土体竖向和径向位移,对弹性支承桩在垂直谐和激振力作用下与土的耦合振动特性进行了分析。假定桩为竖直弹性等截面体,土为线性粘弹性体,其材料阻尼为滞回阻尼。首先通过引入势函数对土体位移进行分解,从而将土体动力平衡方程解耦,求解得到了土层的振动模态形式,然后利用桩土接触面上力平衡和位移连续条件来考虑桩土耦合作用,求解桩的动力平衡方程,得到了桩顶的频域响应解析解、复刚度和速度导纳,利用卷积定理和傅立叶逆变换,求得了半正弦脉冲激振力作用下桩顶速度时域响应半解析解。利用所得解对桩的振动特性进行了无量纲参数分析,得到了许多新的结论。     

单桩竖向动力阻抗计算模型研究

运用土动力学和结构动力学原理,同时考虑桩周土的弱化效应和桩-土界面的相对滑移效应,利用数理方程方法分别求解单桩与桩周近场土域及远场土域的振动方程,建立了竖向荷载作用下单桩动力阻抗函数的简化计算方法,提出了一种改进的非线性动力Winkler模型,确定了模型中各物理元件的参数,进而通过对比分析验证了计算模型的合理性,从而为桩-土-上部结构耦合系统的非线性分析奠定了基础。     

考虑桩土相互作用效应的桩顶纵向振动时域响应分析

在考虑桩土耦合作用以及土竖向波动效应条件下，对均质滞回材料阻尼土中弹性支承桩桩顶纵向振动时域响应进行了理论研究。首先建立了桩与滞回阻尼土在谐和振动情况下的定解问题，然后先对土层动力平衡方程进行求解并得到土体振动位移形式解，接着依据平衡条件将该形式解祸合进桩身动力平衡方程，并通过对桩动力平衡方程的求解，最终得到桩顶位移和速度频域响应解析解和半正弦脉冲激励作用下桩顶时域响应的半解析解。通过与其它相关理论解的对比验证了本文解的正确性和适用性，并基于所得解对桩顶时域响应特性进行了分析，最后将理论曲线与现场工程实测曲线进行了拟合对比，结果表明两者符合较好。     

桩侧扰动分区饱和土中桩竖向振动特性研究

考虑沉桩过程中桩周土受到扰动产生软化或硬化的现象,建立了饱和土中径向分区桩竖向振动简化模型,通过分离变量方法,得到了桩竖向振动频域解析解和时域半解析解。分析了分区土对桩竖向振动特性的影响,数值计算结果表明,土层模量比、分区半径和桩底支承系数对桩竖向振动有较明显的影响。研究结果还表明,在较强的振动作用下,由于分区软化或强...     

非饱和土中弹性支承桩的扭转振动响应分析

基于已建立的非饱和土中的波动方程,对均质非饱和滞回阻尼土层中的弹性支承桩扭转振动特性进行了分析.首先利用拉普拉斯变换,在拉氏交换域中求得了土体振动位移形式解,依据桩土接触面处的衔接条件将该解耦合进桩身动力平衡方程,求解桩的动力平衡方程,得到了桩顶速度导纳的频域响应解析解和半正弦脉冲激励作用下桩顶时域响应的半解析解,并分析了主要参数对振动特性的影响.结果表明,桩底支承刚度因子影响较大,土滞回材料阻尼有一定的影响,而土底支承剐度因子基本没有影响.     

高层建筑风振时地基土材料阻尼比取值范围的初探

高层建筑风振响应分析中考虑土与结构相互作用后地基土的材料阻尼比幅值是多少,这是考虑土与结构相互作用对高层建筑结构风振响应有利还是不利的关键问题.通过对无桩基桩架-剪力墙结构的顺风向风振响应分析,发现考虑土-结构相互作用时结构基础底面土体的动剪应变幅值处于弹性应变范围,根据土动力学中土的动剪应变与土的阻尼比的关系,土体的材料阻尼比较小,其值不超过0.03,据此计算出相应的结构最大层间位移和结构顶层的最大加速度比将地基视为刚性的结构有较大增长;因此,在高层结构风振响应分析中应考虑土-结构相互作用的影响.文章通过实例分析给出无桩基高层建筑土体材料阻尼比的建议值,该研究为有桩基高层建筑的土体材料阻尼比的计算提供了借鉴.     

砂土中螺旋锚基础水平振动特性的模型试验研究

在水平激励作用下,钢管螺旋锚基础-土的动力相互作用具有明显的非线性特性。基于自制的锚土动力相互作用模型试验系统,对砂土中不同锚体几何结构的钢管螺旋锚的水平振动响应特性进行了研究,具体分析了螺旋锚长径比(L/D)、叶片距宽比(S/D0)、叶片外伸比(D0/D)、不同荷载幅值(F0)和振动频率(f)等对螺旋锚水平动力响应特性的影响,并与直桩进行了对比分析。通过研究螺旋锚周围土体的应力扩散,讨论了水平动力荷载作用下螺旋锚-土的相互作用规律。研究结果表明:长径比(L/D)是影响直桩和螺旋锚水平动力响应特性的重要因素;在锚径相同的条件下,锚土系统的共振频率随锚体长径比的增加而减小,随叶片外伸比的增加而增加,但对叶片距宽比相对不敏感;在锚体几何结构相同的前提下,激振荷载幅值越大,直桩土系统的共振频率越小,但激振荷载幅值对螺旋锚土系统共振频率的影响相对较小。