樁—土—結(jié)構(gòu)動力相互作用的數(shù)值分析.pdf

1、樁基是一種歷史悠久而又被廣泛采用的基礎型式。歷次世界大地震中，均出現(xiàn)了各類樁基礎的嚴重破壞現(xiàn)象。由于破壞的隱蔽性，使得己破壞樁基的修復極為困難而且耗資巨大。在現(xiàn)有樁基抗震設計規(guī)范中提出了一些樁基抗震的構(gòu)造措施，但缺乏系統(tǒng)性和針對性。試驗表明，在地震作用下，地基與結(jié)構(gòu)之間存在很強的動力相互作用。對地震作用下土—樁—結(jié)構(gòu)動力相互作用進行數(shù)值模擬研究具有重要的學術意義和工程實用價值。 作者對樁的震害特點、破壞形式、樁—土—結(jié)構(gòu)動力相互

2、作用的分析方法等幾個方面進行了系統(tǒng)地總結(jié)。地震作用下樁—土—結(jié)構(gòu)動力相互作用是一個多學科交叉，多部門關注的復雜課題。針對不同的具體問題，一方面要改進與發(fā)展理論嚴密的精細分析方法，同時也要發(fā)展計算模型簡單、參數(shù)便于確定的實用性較強的簡化分析方法，以滿足不同工程的抗震設計要求。本文采用動力有限元分析方法，將研究體系簡化為平面模型，重點研究了樁—土—結(jié)構(gòu)動力相互作用體系的動力特性和基樁的抗震性能等，主要開展了如下工作： (1)選擇適合

3、樁—土—結(jié)構(gòu)動力相互作用分析的材料本構(gòu)關系，研究了樁—土—結(jié)構(gòu)動力相互作用體系二維有限元分析的一種實用方法。上部結(jié)構(gòu)采用線彈性的本構(gòu)模型，下部土體采用等效非線性本構(gòu)關系或基于Drucker-Prager屈服準則的彈塑性模型，確定了相應模型的矩陣及模型所需的相關參數(shù)。探討了非線性動力方程的求解方法，單元的選取，土體邊界的模擬方法，網(wǎng)格大小的劃分，重力的考慮等。 (2)進行了不同輸入地震動、不同場地條件下樁土體系的地震反應分析及地震

4、作用下樁土體系的參數(shù)敏感性分析；探討了在地震作用下考慮土體彈塑性時樁土體體系的動力相互作用。既使在相同地質(zhì)條件、相同地震動加速度峰值的條件下，如果輸入地震波的波形不同，得到的樁土體系的地震反應也不同，并對放大倍數(shù)或高頻過濾產(chǎn)生影響。樁土體系上部土體的剛度越大，樁身的水平位移、加速度越小，但對較深處樁的位移和加速度的影響較小。調(diào)整相應的模型參數(shù)進行多因素敏感性分析，得到樁土模量比對樁頂水平位移及樁身最大彎矩的影響最大，地震動的輸入水平次之

5、、樁的長徑比影響較小。在土體基本彈性參數(shù)不變時，考慮土體彈塑性后，樁身的水平相對位移、加速度和剪力均可能減小；在水平地震作用下，單層土體的破壞表現(xiàn)為剪切型特性，而多層土體中多呈現(xiàn)彎剪型特性；樁身的存在，一般會大大減小樁周土的位移和加速度。 (3)在樁—土—結(jié)構(gòu)動力相互作用分析中，重點研究了土體液化前后對基樁動力響應的影響。隨著土體液化深度的加深，體系的自振周期隨之增大，樁的最大水平位移相應增大，樁頂處的剪力和彎矩也增大；而且土體

6、液化可能會引起第一個軟硬土層分界面處的剪力和彎矩的很大的增幅。同時研究了樁周土及樁間距對樁基地震反應的影響。樁身的最大水平位移發(fā)生在樁頂處；當軟土厚度較小時，樁頂?shù)膬?nèi)力較大；當軟土厚度較大時，軟硬土層分界面處的內(nèi)力較大；樁間距(或樁數(shù))的變化會引起軟硬土層分界處內(nèi)力的較明顯變化。同時探討了上部結(jié)構(gòu)剛度的改變對基樁抗震性能的影響；隨著上部結(jié)構(gòu)剛度的增大，體系的自振周期減小，樁的最大水平位移相應增大，樁頂處的最大剪力和最大彎矩增大，同時也引

7、起第一個軟硬土層分界面處樁身最大剪力和最大彎矩的較明顯的增大。調(diào)整樁—土—結(jié)構(gòu)體系的模型參數(shù)進行了多因素敏感性分析，得到三個因素動力敏感性的次序依次為：B(樁土模量比)、C(地震動的輸入水平)、A(樁的長徑比)。還研究了雙向地震作用下并考慮土體彈塑性情形時樁—土—結(jié)構(gòu)的動力相互作用。發(fā)現(xiàn)不同樓層的層間位移、柱的剪力和軸力等的折減系數(shù)并不相同，沿樓層的變化也沒有規(guī)律，有時甚至對有的樓層不是折減而是放大。規(guī)范中只采用單一的折減系數(shù)是不太合理