可液化场地桥梁桩基地震反应分析与简化分析方法研究

论文摘要

震害表明,场地液化是导致桥梁桩基震害的重要原因之一,而我国桥梁工程抗震规范对可液化场地桥梁桩基抗震设计问题仅给出了一些笼统、定性的规定,致使实际操作带有较大的盲目性与随意性,暴露了对该问题研究的不足。可液化场地桥梁桩基地震反应研究是解决可液化场地桩基桥梁抗震问题的有效途径,动力p-y曲线方法是研究桩-土地震相互作用的重要方法之一,为发展基于变形的可液化场地桥梁桩基抗震设计方法提供一般性的思路。但是,该法用于可液化场地桩-土地震相互作用分析的核心问题在于如何合理确定砂土的动力p-y曲线。事实上,尽管地震过程中场地未完全液化,但是砂土的动力属性由于孔压升高出现很大改变。故而,有必要对场地液化过程中桥梁桩基地震反应与简化分析方法进行研究与探讨。本文针对可液化场地桥梁桩基地震反应分析问题,通过振动台试验和计算分析相结合,建立可液化场地桥梁桩基地震反应三维有限元方法;基于此,获得不同相对密度砂土的动力p-y曲线,采用孔压比分时段的思路,建立了不同时段内同一孔压比下砂土的动力p-y曲线及其骨架线,进而得到不同孔压比下砂土的动力p-y曲线骨架线,据此提出了考虑孔压效应的饱和砂土p-y曲线修正公式,发展了可液化场地桥梁桩基地震反应简化分析方法。本文主要研究工作与取得的若干认识,具体如下:（1）采用钢筋混凝土单桩-柱墩基础型式,针对典型的表层覆盖粘土层、中间饱和砂土夹层而下卧粘土层的可液化场地,实施可液化场地桥梁桩基地震反应振动台试验,研究了场地液化过程中桥梁桩基地震反应规律与场地动力特性,给出了可液化场地桩-土地震相互作用p-y曲线建立的途径,分析了砂土的动力p-y曲线基本特性。（2）基于OpenSees有限元数值模拟平台,针对振动台试验,采用u-p形式控制方程的有限元实现形式且引入土的多屈服面弹塑性本构模型模拟土的动力属性,采用基于欧拉-伯努利梁理论的梁-柱单元模拟桩的力学特征,桩-土地震相互作用采用考虑体积效应的刚性连接单元给出处理,建立试验受控条件下可液化场地桥梁桩基地震反应三维有限元分析模型与计算方法。通过桥梁桩基地震反应、场地动力特性等计算值与试验值的对比,验证了所建有限元分析模型与计算方法的正确性,可以很好地模拟可液化场地桩-土地震相互作用过程。（3）采用有限元方法,针对不同相对密度砂土的可液化场地桥梁桩基地震反应,输入不同幅度的El Centro波进行数值模拟,获得不同幅值的地震波输入下不同相对密度的砂土动力p-y曲线。通过分时段考虑孔压比的途径,建立了对应不同时段同一孔压比下砂土的动力p-y曲线簇,借助土的应力-应变关系曲线骨架线的构建思路,以孔压比为基本控制变量,建立不同孔压比下砂土动力p-y曲线骨架曲线簇,以API规范推荐的饱和砂土p-y曲线为基础,分段建立了以孔压比为基本控制变量且能够反映出孔压引起土性刚度与强度退化的不同相对密度饱和砂土p-y曲线修正公式,给出具体的表达式与参数确定方法。（4）基于自由可液化场地地震反应分析方法,针对自由可液化场地振动台试验,建立了试验受控条件的自由可液化场地地震反应的数值模型,通过振动台试验验证了数值模型的正确性。同时,对上覆粘土层、中间砂层以下伏软粘土层的自由可液化场地地震反应进行模拟,分析三层土自由可液化场地地震反应特征。（5）通过将弹簧单元和阻尼单元并联的组合方法,构建出可液化场地桩-土地震相互作用分析的p-y模型,给出了模型计算参数的合理确定方法与具体表达式,融入了考虑孔压效应的砂土p-y曲线修正公式,以考虑砂土液化对桩-土地震相互作用土弹簧特性的影响。针对振动台试验,采用非线性文克尔地基梁模型,选取构建的p-y模型,考虑桩周参振土的质量惯性力、上部桥梁结构惯性力、土的辐射阻尼等诸多效应,建立了可液化场地桥梁桩基地震反应简化分析方法。输入自由可液化场地地震反应分析获得的土层位移和砂层孔压比时程,作为可液化场地桥梁桩基地震反应简化分析数值模型的外部激励。通过振动台试验验证了简化分析方法的正确性,给出了分析方法的实施步骤。采用该法进行了砂土相对密度、桩-土初始模量比、上部桥梁结构配重、土的辐射阻尼等参数对可液化场地桩-土地震相互作用影响的分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景与研究意义
• 1.2 桥梁桩基震害分析
• 1.2.1 可液化场地桥梁桩基震害事例
• 1.2.2 可液化场地桥梁桩基破坏机理分析
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 理论方法
• 1.3.2 试验方法
• 1.3.3 可液化场地桥梁桩基抗震简化分析方法
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 可液化场地桥梁桩基地震反应振动台试验
• 2.1 引言
• 2.2 振动台试验
• 2.2.1 振动台与土箱
• 2.2.2 试验桩与桥梁结构
• 2.2.3 试验地基
• 2.2.4 地基边界处理
• 2.2.5 加载方案
• 2.3 试验结果与分析
• 2.3.1 宏观现象
• 2.3.2 桩－土体系自振特性
• 2.3.3 应变数据处理
• 2.3.4 试验结果分析
• 2.4 桩－土地震相互作用动力p-y 曲线建立途径
• 2.4.1 动力p-y 曲线建立基本理论
• 2.4.2 侧向土反力的求解
• 2.4.3 桩的侧向动位移计算
• 2.4.4 桩土相对动位移的确定
• 2.5 桩－土地震相互作用动力p-y 曲线
• 2.5.1 曲线特性分析
• 2.5.2 土层位移、桩侧向位移与桩土相对位移比较
• 2.6 本章小结
• 第3章 可液化场地桥梁桩基地震反应三维数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 饱和砂土数值建模途径
• 3.2.1 饱和土的运动方程
• 3.2.2 水的运动方程
• 3.3 u-p 形式控制方程有限元数值实现
• 3.4 土的本构模型
• 3.4.1 饱和砂土的本构模型
• 3.4.2 粘土的本构模型
• 3.5 桥梁桩基地震反应有限元数值模型
• 3.5.1 有限元数值模型
• 3.5.2 收敛准则
• 3.5.3 边界条件
• 3.6 数值模型正确性检验
• 3.6.1 场地地震反应
• 3.6.2 桥梁桩基地震反应
• 3.7 本章小结
• 第4章 考虑液化效应的饱和砂土p-y 曲线修正公式
• 4.1 引言
• 4.2 动力p-y 曲线影响因素分析
• 4.2.1 砂土相对密度
• 4.2.2 孔压比
• 4.2.3 桩径
• 4.3 动力p-y 曲线的修正方法
• 4.3.1 基本思路
• 4.3.2 砂土动力p-y 曲线骨架线构建
• 4.4 考虑液化效应饱和砂土p-y 曲线修正公式
• 4.4.1 API 规范推荐的饱和砂土p-y 曲线
• 4.4.2 考虑液化效应的饱和砂土p-y 曲线修正公式
• 4.4.3 工程适用条件与应用建议
• 4.5 本章小结
• 第5章 自由可液化场地地震反应振动台试验数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 自由可液化场地地震反应振动台试验
• 5.2.1 试验概况
• 5.2.2 试验宏观现象
• 5.3 两层土自由可液化场地地震反应振动台数值模拟
• 5.3.1 基本假设
• 5.3.2 基本理论
• 5.3.3 数值模型
• 5.3.4 数值模型正确性验证
• 5.4 三层土自由可液化场地地震反应数值分析
• 5.4.1 数值模型
• 5.4.2 计算结果与分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 可液化场地桥梁桩基抗震简化分析方法
• 6.1 引言
• 6.2 可液化场地桩－土地震相互作用p-y 模型构建
• 6.2.1 弹簧单元
• 6.2.2 阻尼单元
• 6.3 可液化场地桥梁桩基地震反应简化分析方法
• 6.3.1 数值模型
• 6.3.2 运动方程
• 6.4 数值模型正确性检验与可靠性评价
• 6.4.1 振动台试验验证
• 6.4.2 可靠性评价
• 6.5 参数分析
• 6.5.1 砂土相对密度
• 6.5.2 桩－土初始模量比
• 6.5.3 桥梁结构配重
• 6.5.4 土的辐射阻尼
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文及其他成果
• 致谢
• 个人简历