樁-土-復(fù)雜結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)與數(shù)值模擬及樁-土相關(guān)參數(shù)研究.pdf

1、城市交通日益擁擠,促進(jìn)了地下空間的開(kāi)發(fā)和利用,與地下空間開(kāi)發(fā)相關(guān)的大型交通樞紐工程大量興建,這些工程的抗震性能及其安全性,越來(lái)越受到學(xué)術(shù)界與工程界的關(guān)注。
　　論文以天津站交通樞紐工程為背景,開(kāi)展了大型樁-土-復(fù)雜結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn),揭示了復(fù)雜動(dòng)力相互作用體系(SSI)的有關(guān)規(guī)律;在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究了樁-土動(dòng)力P-Y曲線;探索了樁-土界面的合理接觸剛度因子取值范圍問(wèn)題,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了樁-土-復(fù)雜結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬計(jì)算,再現(xiàn)了振動(dòng)臺(tái)試

2、驗(yàn)的過(guò)程,與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。完成的主要工作與結(jié)論如下:
　　(1)選取天津站交通樞紐工程的典型七榀框架為研究對(duì)象,含地上與地下結(jié)構(gòu)及群樁基礎(chǔ),進(jìn)行了單向抗震性能試驗(yàn)研究。采用微粒混凝土制作車站結(jié)構(gòu)模型;根據(jù)卓越周期相似比,設(shè)計(jì)并配置了模型土;在試驗(yàn)的剛性土箱中設(shè)計(jì)了三種邊界,并驗(yàn)證了各自的良好效果;選擇Taft波、天津波及人工波進(jìn)行了小震到大震的多工況加載。試驗(yàn)結(jié)果表明:樁與土體的加速度放大系數(shù)在小震時(shí)大于1(或小于-1),

3、大震時(shí)的放大系數(shù)明顯減小,樁基的存在對(duì)放大系數(shù)有減小的影響;樁基的相對(duì)位移峰、凈應(yīng)變幅值及樁-土動(dòng)接觸壓力幅值均隨震級(jí)的增加而增大,同時(shí),相對(duì)位移峰值隨樁身高度增加而增大;凈應(yīng)變沿樁身高度呈現(xiàn)中間大、兩端較小的趨勢(shì);與樁端相比,樁中間部位的動(dòng)接觸壓力增加的最快;地上及地下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角在大震后滿足規(guī)范限值要求。
　　(2)根據(jù)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的結(jié)果,應(yīng)用彈性地基梁理論得到了正弦波作用下的樁-土動(dòng)力P-Y曲線,進(jìn)而求得樁-土相互作用

4、動(dòng)力Winkler模型的彈簧剛度與阻尼沿樁身高度的變化規(guī)律及其受振動(dòng)時(shí)間的影響。結(jié)果表明:阻尼系數(shù)與彈簧剛度系數(shù)都隨著樁埋深的增加而增大,樁下部增大的幅度更加明顯,受地下結(jié)構(gòu)底部筏板的影響,阻尼與土彈簧剛度沿樁身分布可近似的考慮成分段線性,分段點(diǎn)大約在樁身上部1/3范圍處;隨著地震動(dòng)的持續(xù),阻尼系數(shù)基本穩(wěn)定,只在樁底處略有增大,而彈簧剛度隨振動(dòng)時(shí)間持續(xù)有所降低,并且隨埋深增大,其降低的幅度也越大。
　　(3)對(duì)樁-土相互作用的界面

5、接觸問(wèn)題進(jìn)行了研究。將天津站交通樞紐工程的原型(及模型)單樁與土體考慮成平面應(yīng)變問(wèn)題,探索了基于罰函數(shù)法的接觸剛度因子合理取值范圍。結(jié)果表明:土體采用線彈性本構(gòu)模擬時(shí),下層單元厚度的減小及土體剛度的增加會(huì)使接觸剛度增大,合理的接觸剛度因子(FKN)取值范圍會(huì)減小,但FKN整體取值在程序建議的范圍(0.01～10)的前1/3以內(nèi);土體采用彈塑性本構(gòu)模擬時(shí),若土體處于彈性階段,合理的FKN范圍是對(duì)應(yīng)的土體彈性模型的100倍,土體進(jìn)入塑性以后

6、,合理的FKN取值范圍隨著荷載的增加而減小。
　　(4)建立了考慮樁-土界面接觸的二維有限元模型,對(duì)比了三種地震波0.1g、0.3g及0.5g加載時(shí)的數(shù)值模擬與試驗(yàn)的加速度結(jié)果。結(jié)果表明:模擬與試驗(yàn)得出的測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程曲線波形相似,兩者的測(cè)點(diǎn)加速度峰值隨震級(jí)與高度的變化表現(xiàn)出了相同的規(guī)律,相對(duì)樁基而言,二維接觸模型能更好地反應(yīng)地下結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)規(guī)律。論文還采用三維有限元模型進(jìn)行了計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明,天津波0.1g加載時(shí),三維有限