考虑桩—土相互作用的桥梁桩基地震响应分析方法研究

论文摘要

地震是一种突发式的破坏性极强的自然灾害。强地震在瞬间就可以对建筑物和桥梁造成结构性破坏,严重的情况下可使建筑物和桥梁倒塌。1976年的唐山地震使整个唐山市毁于一旦,建筑物和桥梁大量倒塌,经济损失超过100亿元人民币。1995的年阪神地震给日本带来的各种损失累计超过1000亿美元。2008年发生在我国四川的“5.12”汶川大地震中,受损的桥梁达到5560余座,直接经济损失达到几百亿元。地震带来的直接经济损失是巨大的。另一方面,桥梁工程是交通运输的咽喉,当地震发生时,桥梁工程即为开展灾后救援的生命线。2008年的汶川大地震中,地震是很多桥梁受到了损坏,使得道路无法通行,从而严重影响了抗震救灾。因此,在地震后桥梁损坏导致的交通中断而造成的间接损失更是不可估量的。桥梁抗震性能的好坏对人民的生命财产安全有着重要的影响。因此,开展桥梁结构抗震理论与设计方法的研究具有十分重大的意义。虽然我国桥梁抗震规范中对部分桥梁的设计作出了一些规定,但此规范中对桥梁结构在地震反应下的验算,都采用桩土固结模型。在桩土固结模型中,忽略了桩土的耦合作用,简单的把整个基础的抗弯刚度都集中到桥墩的底部。通过一系列的工程实践,人们发现桩土固结模型计算出的结果和实验结果有存在很大的差异。在结构经受地震时,上部结构、桩、土是一个协同工作的有机整体,人为的把对桩土进行固结处理,必然会导致结构分析与实际不相符的现象。桩-土的相互耦合作用表现为明显的非线性特性,桩—土之间的界面存在的相对滑移、分离和摩擦等复杂的非线性行为。考虑桩—土的相互耦合作用的非线性变形特性对桥梁结构的抗震设计意义重大。由于地震的随机性、桩-土-结构的相互作用、土体的非线性,使得桩-土作用的结构地震响应分析十分复杂。现有的理论方法与工实际程应用还存在一定的距离,至今还没有有效的理论分析模型。基于这种情况,对桩-土相互作用的机理进行研究和桥梁桩基的地震响应分析方法研究是十分必要的。Winkler地基梁集中参数模型在的桩—土相互作用简化模型中应用最为广泛。这种方法将桩看成置于土介质中的梁,将桩周土对桩的动力阻抗用连续分布的相互独立的弹簧和阻尼器代替。动力Winkler模型可以进一步考虑土层沿深度的非均匀变化甚至土的非线性性质。但是,桩—土的相互耦合作用表现为明显的非线性特性,桩—土之间的界面存在的相对滑移、分离和摩擦等复杂的非线性行为。考虑桩—土的相互耦合作用的非线性变形特性对桥梁结构的抗震设计意义重大。已有的动力Winkler模型并不能全面考虑桩—土作用的这种非线性特性。在对桩—土相互作用分析中的动力Winkler模型进行了较全面的研究后,本文提出了一种改进的动力Winkler模型,在大变形条件下,考虑桩—土的非线性变形特性,即桩—土之间的界面存在的相对滑移、分离、土体屈服和摩擦等复杂的非线性行为。最后以一单桩作为算例,进行了地震时程响应分析,对此模型的有效性进行了验证。结果表明,与传统的动力Winkler模型相比,此模型能够更为合理地反映桩土相互作用的机理和工作状态。本文主要进行了以下研究工作:1、从结构动力分析的基本知识出发,探讨了桩-土相互作用的机理。利用有限元分析方法建立了考虑桩-土相互作用的结构运动方程,基于桩-土相互作用的机理和运动方程的特点,形成了此运动方程动态时程分析方法的基本求解过程。2、对桩-土相互作用的非线性特性进行了深入分析,基于桩-土相互作用的非线性特点,提出采用接触单元模拟桩土接触界面的非线性。对接触单元模拟桩土接触界面非线性的基本原理及方法进行了分析。基于接触单元,利用有限元方法建立了桩-土相互作用的有限元实体分析模型。最后通过对一个桩-土相互作用地震响应进行了数值仿真分析。3、本章对已有的桩-土动力相互作用分析的离散模型的基本原理进行了分析,并且明确了其分析过程。利用Winkler模型对某桩-土相互作用体系进行地震响应分析,把分析结果与基于接触单元的有限元实体模型的分析结果进行力比较分析。4、提出了一种改进的动力Winkler模型,此模型在大变形条件下,可以充分考虑桩-土的非线性变形特性,即桩-土之间的界面存在的相对滑移、分离、土体屈服和摩擦等复杂的非线性行为。把分析结果同第3章和第4章的计算结果进行比较,验证了此模型的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 土动力参数的确定方法
• 1.2.2 桩-土作用动力响应分析方法
• 1.3 本文的研究内容
• 第2章 桩-土相互作用系统地震响应的有限元方法
• 2.1 引言
• 2.2 动态时程分析方法运动方程的建立
• 2.3 动态时程分析法运动方程求解
• 2.3.1 直接积分法
• 2.3.2 振型叠加法
• 2.3.3 桩-土相互作用地震响应的求解方法
• 2.4 地震输入的确定
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于接触单元的桩基地震响应有限元仿真
• 3.1 引言
• 3.2 有限元接触问题的基本原理
• 3.2.1 接触界面条件
• 3.2.2 接触界面条件的引入方法
• 3.2.3 有限元求解方程及求解方法
• 3.3 桩-土作用有限元接触单元模型地震响应分析
• 3.3.1 桩-土作用系统的有限元模型
• 3.3.2 土-桩作用系统的地震响应结果分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 桩-土动力相互作用简化模型
• 4.1 引言
• 4.2 经典桩-土动力相互作用简化模型
• 4.2.1 动力Winkler 模型
• 4.2.2 Iwan 模型
• 4.2.3 Penzien 模型
• 4.3 基于动力 Winkler 模型的桩基地震响应数值模拟计算
• 4.3.1 基于动力Winkler 模型桩基地震响应分析
• 4.3.2 与接触模型地震响应结果对比分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 改进动力 Winkler 模型
• 5.1 对经典动力 Winkler 模型的改进
• 5.2 改进动力 Winkler 模型参数取值的确定
• 5.2.1 弹簧刚度取值
• 5.2.2 阻尼系数取值
• u 参数取值'>5.2.3 F_u参数取值
• 5.3 桩基地震响应分析的数值模拟计算
• 5.3.1 基于改进动力Winkler 模型桩基地震响应分析
• 5.3.2 与接触模型桩基地震响应结果的对比
• 5.3.3 与经典动力Winkler 模型桩基地震响应结果的对比
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 后记和致谢