樁—土相互作用計算模型及其在樁基結構抗震分析中的應用.pdf

1、作為一種強度高、承載力大、耐久性好的重要深基礎形式,樁基礎在高層建筑、大型廠房、水利水電樞紐、鐵路工程、公路工程、橋梁工程、近海采油平臺、核電站等土木、水利工程中得到了廣泛應用.但由于樁—土—結構動力相互作用的機理與工作性能極其復雜,目前仍有很多問題沒有得到徹底解決.為此,本文緊密圍繞樁—土—結構動力相互作用特性研究中存在的主要問題,在單樁的動力阻抗計算方法與簡化模型以及單樁、群樁和上部結構的動力響應分析等方面進行了系統(tǒng)而深入的研究.論

2、文的主要研究內容及所取得的研究成果具體包括以下幾個方面.1.當運用子結構方法分析樁—土—結構體系的動力相互作用特性時,樁基動力阻抗的合理確定是一個關鍵的問題.本文運用土動力學和結構動力學原理,基于改進的Winkler地基梁模型,同時綜合考慮樁周土的弱化效應、地基土的成層非均質性以及水平荷載作用時樁—土界面的相對分離效應和豎向荷載作用時樁—土界面的相對滑移效應,建立了水平荷載和豎向荷載作用下單樁動力阻抗的簡化計算力學模型與分析方法,并進行

3、了算例分析.2.單樁的動力響應特性研究是樁—土—結構相互作用分析中的一個重要而基本的內容.本文將樁視為置于Winkler模型地基中的梁,運用土動力學和結構動力學原理,分別對土和樁建立了波動方程與振動微分方程,并利用分離變量法進行求解,建立了能同時考慮樁周土在振動過程中的弱化效應和地基土的成層非均質性的單樁簡諧動力響應分析的簡化解析方法.3.群樁是實際工程中普遍采用的樁基形式,由于要考慮樁—土—樁的相互作用效應,因此,群樁的動力響應特性遠

4、比單樁的復雜.本文根據(jù)動力相互作用系數(shù)的基本定義和求解步驟,引入某些假定,分別計算了兩根樁之間的水平和豎向動力相互作用系數(shù),并對樁間距與樁直徑之比、兩樁水平連線與荷載作用方向之間的夾角、樁—土剛度比和樁體長細比等參數(shù)對水平和豎向動力相互作用系數(shù)的影響進行了計算與分析;然后,運用動力相互作用系數(shù)的疊加原理分別對群樁的水平和豎向動力響應特性進行了分析,得到了群樁的整體位移、群樁的動力阻抗和各單樁分擔的荷載;最后,針對具有代表性的2×2群樁和

5、3×3群樁進行了算例分析.4.將樁—土—結構耦合系統(tǒng)按線性體系考慮時,可以直接在頻率域上進行動力響應分析,但對于非線性體系,由于樁基與上部結構之間的相互作用力表現(xiàn)為動力阻抗與輸入地震動之卷積積分的形式,且動力阻抗依賴于激振頻率,因此,在時域上直接進行樁—土—結構動力相互作用體系的地震響應分析就變得十分復雜和困難,目前對這個問題的研究尚不成熟.本文在對現(xiàn)有分析方法與計算模型綜合分析的基礎上,提出了一種改進的非線性動力Winkler模型,并

6、運用最小二乘法,通過Matlab語言編程,確定了模型中各物理元件的參數(shù).5.樁—土—結構相互作用體系的抗震性能分析是土木工程實踐中一個非常復雜而且重要的問題.本文首先運用子結構分析方法,將上述樁基動力阻抗的研究成果和改進的非線性動力Winkler模型應用于樁基結構的抗震分析中;為便于進行對比驗證分析,考慮樁—土相互作用效應,建立了樁基結構地震響應分析的整體有限元計算模型,通過對現(xiàn)有計算軟件的二次開發(fā),發(fā)展了樁—土—結構體系地震響應分析的