包郵液化場地樁-土-結構體系動力反應與抗震分析

作者：唐亮，凌賢長，惠舒清，高霞

出版社：科學出版社出版時間：2023-03-01

開本：其他頁數： 128

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版權信息
內容簡介
目錄
節選

液化場地樁-土-結構體系動力反應與抗震分析版權信息

ISBN：9787030729804
條形碼：9787030729804 ; 978-7-03-072980-4
裝幀：一般膠版紙
冊數：暫無
重量：暫無
所屬分類：
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液化場地樁-土-結構體系動力反應與抗震分析內容簡介

絕大多數橋梁與高樁碼頭場地均為可液化場地，并且很多橋梁與高樁碼頭均采用樁基且為橋梁為簡支梁體系�，F場調查表明，樁基震害主要源自于場地液化與液化側擴流作用，并且樁基失效較多以屈曲破壞。鑒于此，本書提出了液化與液化側擴流場地樁－土地震相互作用、樁基屈曲失效的振動臺試驗方法、離心機振動臺試驗方法，建立了液化與液化側擴流場地樁基屈曲臨界荷載計算方法、樁基屈曲失效判別方法、樁基抗震分析方法，給出了液化與液化側擴流場地樁－土地震相互作用分析方法、計算軟件平臺，并且將液化側擴流場地群樁－土地震相互作用并行模擬分析計算方法進行實際拓展，以便于實際工程應用。本書可供在巖土地震工程領域從事科研、教學、設計、施工、監理方面工作的中高級技術人員學習與參考，也可作為巖土工程專業研究生《土動力學》課程教學參考書。

液化場地樁-土-結構體系動力反應與抗震分析目錄

目錄
前言
第1章緒論1
1.1工程背景與存在問題1
1.2樁基地震響應與抗震分析2
參考文獻5
第2章液化場地樁-土動力相互作用振動臺試驗10
2.1概述10
2.2振動臺試驗方案設計方法10
2.3振動臺試驗結果分析14
2.4小結18
參考文獻19
第3章液化場地樁-土動力相互作用p-y曲線20
3.1概述20
3.2液化場地樁-土動力相互作用p-y曲線建立方法20
3.3液化場地樁-土動力相互作用p-y曲線特性26
3.4小結28
參考文獻29
第4章液化場地樁-土動力相互作用振動臺試驗數值模擬31
4.1概述31
4.2基本假定31
4.3土體本構模型32
4.4樁體模擬方法36
4.5樁-土界面模擬方法36
4.6樁-土-結構動力相互作用有限元分析模型37
4.7數值模型可靠性驗證42
4.8小結45
參考文獻46
第5章液化場地樁-土動力相互作用p-y曲線影響因素分析48
5.1概述48
5.2水平液化場地樁－土動力相互作用p-y曲線影響因素48
5.3傾斜液化場地樁－土動力相互作用p-y曲線影響因素54
5.4小結62
參考文獻62
第6章液化場地樁－土動力相互作用簡化分析方法63
6.1概述63
6.2動力p-y模型63
6.3動力p-y模型的計算參數66
6.4改進的液化場地樁－土動力相互作用p-y曲線68
6.5液化場地樁－土動力相互作用簡化分析模型75
6.6小結80
參考文獻80
第7章液化場地多跨簡支橋梁體系地震反應分析數值方法與計算平臺83
7.1概述83
7.2橋梁概況83
7.3多跨簡支橋梁體系地震反應子結構有限元法85
7.4基于整體有限元法結果驗證子結構有限元法93
7.5多跨簡支橋梁體系地震反應分析計算平臺96
7.6小結99
參考文獻100
第8章基于性態的液化場地多跨簡支橋梁體系抗震分析方法101
8.1概述101
8.2多跨簡支橋梁體系地震反應分析101
8.3多跨簡支橋梁抗震性態分析106
8.4小結119
參考文獻119

展開全部

液化場地樁-土-結構體系動力反應與抗震分析節選

第1章緒論 1.1工程背景與存在問題樁基具有承載力高、穩定性好、適用性廣和沉降小等優點，廣泛用于橋梁、港口等建筑物中［1］。然而，歷次震害調查表明強震下場地液化是樁基結構顯著破壞的重要原因［2-10］。例如，在1964年日本新潟（Niigata）地震、1964年美國阿拉斯加（Alaska）地震、1975年中國海城地震、1976年中國唐山地震、1995年日本阪神地震、2008年智利康塞普西翁地震、2008年海地太子港地震、2011年日本東北大地震等歷次強震中，均發現了大量因場地液化而引起橋梁樁基嚴重破壞的典型實例，并且若液化土體上覆于非液化硬土層，橋梁樁基毀壞尤其嚴重。該現象已成為工程抗震分析與安全性評價的一個重要且備受關注的科學問題［11-13］。液化場地樁-土-結構體系動力相互作用的物理過程極其復雜，粗糙的樁基動力響應分析模型與抗震措施很可能導致精細的上部橋梁結構抗震措施變得無效［14-15］。為此，深入研究液化場地樁-土-結構體系動力響應與抗震分析，對解決液化場地樁-土-結構體系抗震問題有著極其重要的作用［16］。近年來，我國基礎建設發展速度日益加快，且較多采用樁基。我國地震多發，且分布廣、強度大，建設一般位于可液化場地，所以樁基結構抗震已成為我國亟待解決的棘手問題［17］。目前，我國現行規范中液化場地樁基抗震設計存在明顯的缺陷，規范中一般不考慮樁-土-結構體系動力相互作用與土體液化效應對樁基結構抗震性能的不利影響，存在較明顯不足［18-21］。相比之下，美國、日本等的規范中針對液化場地樁基抗震設計有較詳細的規定，并發展了基于性能的樁基抗震設計方法。產生如此差距的原因有兩方面：一方面是我國在樁基抗震分析方面研究尚不夠深入，對樁基震害的潛在威脅認識不足［12］；另一方面是我國現行的液化場地樁基抗震設計規范制定主要基于20世紀70年代唐山地震、海城地震等震害經驗，限于當時的經濟水平，且樁基使用并不廣泛，雖然地震場地液化較多，但是較少見到場地液化樁基震害事例，故而長期未重視液化場地樁基抗震設計的研究，造成我國液化場地樁基結構抗震現狀不容樂觀。近年來，國內外學者已逐步認識到解決這一問題的嚴重性與緊迫性。鑒于上述，團隊針對強震作用與液化場地條件，研究樁-土-結構體系動力響應與抗震分析方法，歷經20多年攻關創新與實踐，在液化場地樁-土-結構體系動力相互作用模型試驗、理論分析和基于性態的抗震理論與方法等方面做了一些創新性的工作，對于進一步提高我國樁基抗震設計水平且盡快與國際接軌，努力保障我國樁基工程抗震性能與地震安全性，逐步完善我國抗震設計規范在液化場地樁基抗震設計方面的關鍵技術細節，無疑具有重要的科學意義與工程價值。 1.2樁基地震響應與抗震分析液化場地樁-土-結構體系動力響應與抗震分析目前仍處于在震害分析、振動臺及離心機試驗基礎上，積極探索發展合適的數值方法階段。一方面為完善現有試驗技術及方法并積累基礎數據，繼續開展試驗研究；另一方面以有效應力分析為基礎的整體有限元分析模型，以非線性文克爾地基梁假定為基礎的實用p-y曲線分析模型與以比奧兩相介質動力學理論為基礎的樁-土-結構體系動力相互作用分析模型等為代表的數值方法也取得長足進步，發展的分析方法也逐步納入相應的抗震設計規范。 1.2.1液化場地樁-土-結構體系動力相互作用模型試驗試驗研究是分析液化場地樁-土-結構體系動力相互作用直接且重要的手段之一，主要包括振動臺試驗、離心機試驗和現場試驗。 1.振動臺試驗 1964年Niigata地震和Alaska地震中大量樁基破壞是促使研究者采用振動臺試驗研究液化場地樁基抗震的*直接原因［12］。國外，日本的Kubo［22，23］是世界上**位注意模型相似比并較早進行樁-土-結構體系動力相互作用振動臺試驗的學者，Kagawa和Kraft［24］首次輸入正弦波進行砂土液化對樁-土-結構系統整體剛度影響的振動臺試驗。國內，劉惠珊［25］*早進行液化場地樁基振動臺試驗，只是未考慮上部結構。作者帶領團隊于2006年實施了一系列高頻強震波輸入下液化場地樁-土-結構體系相互作用振動臺試驗，為后續開展類似試驗積累了有益經驗；2009年和2013年分別在中國地震局工程力學研究所地震工程與工程振動實驗室完成了正弦波輸入下液化場地樁-土-結構體系相互作用振動臺試驗，實施了液化側擴流場地樁-土-結構體系相互作用振動臺試驗；2016年在南京工業大學江蘇省土木工程與防災減災重點實驗室完成了液化場地樁基彎曲-屈曲耦合失效振動臺試驗，驗證慣性荷載和軸向荷載共同作用引起液化場地樁基屈曲失效，所開展的振動臺試驗系統研究了液化場地樁-土-結構動力相互作用特征、樁基失效機理和安全性評價等［26-31］。 2.離心機試驗國外，Fiegel和Kutter［32］首次利用離心機試驗考察了微斜液化場地地震響應特征。Abdoun［33］和Wilson等［34］研究了液化場地單樁和群樁動力響應規律與力學特征。國內，蘇棟和李相菘［35］、汪明武等［36］研究了地震下液化場地單樁上土壓力變化規律，以及液化側擴流斜坡場地群樁地震響應特征。王睿［37］系統地探究了液化場地單樁受力機制、運動荷載與慣性荷載的耦合模式。劉星［38］率先研究了水平和豎直地震聯合作用下液化場地群樁基礎的動力響應特征。Zhang等［39］發現液化側擴流場地斜樁的前樁大于后樁的彎矩。2019年，作者帶領團隊在中國水利水電科學研究院離心機試驗室，完成了實測強震輸入下液化斜坡場地高樁碼頭地震反應離心機振動臺試驗［40］。 3.現場試驗由于地震的突發性和不確定性，在地震區布置地震觀測儀器記錄地震輸入下液化場地樁-土-結構體系動力相互作用響應顯然是不現實的。但是考慮到現場試驗可以真實地反映樁-土-結構體系動力相互作用、應力應變環境等優點，這是室內試驗無法準確模擬的。所以，研究液化場地樁-土-結構體系動力響應與抗震分析的現場試驗顯得尤為必要，也是對室內模型試驗的有益補充。Ashford等在日本十勝（Tokachi）人工島上采用“人工爆破”觸發場地液化，樁頭施加循環荷載，實施足尺單樁與群樁試驗，評價了單樁與群樁的側向承載特性，發現液化土體側向大位移顯著大于樁的變位［41］。美國楊百翰大學與加利福尼亞大學圣地亞哥分校合作實施了金銀島爆炸液化試驗（Treasure Island liquefaction test，TILT）工程，采用爆炸觸發場地液化方法，進行水平循環荷載下原型樁測試［42，43］。 1.2.2液化場地樁-土-結構體系動力相互作用理論分析樁-土-結構體系動力相互作用的理論研究主要包括文克爾地基梁法、有限元法、有限差分法、邊界元法、離散元法、混合法等多種方法，其中以文克爾地基梁法和有限元法應用*為廣泛。 1）文克爾地基梁分析方法 Matlock等［44］*早提出文克爾地基梁法，并首次將文克爾地基梁法擴展至樁-土-結構體系動力相互作用分析中。文克爾地基梁法是將樁-土相互作用通過一系列離散彈簧替代，相鄰彈簧彼此獨立。此時，樁-土相對位移不僅僅與樁自身的變形有關，還與自由場地土體位移有關。樁-土相互作用文克爾地基梁法已有較長研究歷史，并發展了多種非線性文克爾地基梁模型，如Novak模型［45-48］、Kagawa模型［49，50］、Nogami模型［51，52］以及Otani、Naggar、Rojas等改進模型［53，57］。實踐表明，當樁周土開始液化，這些模型并不能準確預測樁基動力響應。為此，針對可液化場地樁-土-結構體系地震相互作用，文克爾地基梁法的研究已成為國內外關注的焦點問題，并逐步進行不少嘗試性工作并取得一些有益成果。針對可液化場地，文克爾地基梁法的關鍵是合理選取液化砂土p-y曲線模型［58］。多數情況下，通過土的標準p-y曲線構建液化砂土非線性彈簧。事實上，研究者真正開始關注液化砂土p-y曲線建立的問題始于日本公路橋梁設計規程（日本道路協會，1980）［59］和鐵路設施設計標準（鐵道技術研究所，1992）［60］，其采用靜力安全系數折減法修正標準p-y曲線建立液化砂土p-y曲線［61］。國內外通過離心機振動臺試驗和振動臺試驗，結合少量現場足尺試驗并輔于數值模擬技術外推考慮基本參數變化對液化砂土p-y曲線的影響，獲得液化砂土p-y曲線模型，并開始用于樁基設計。目前主要采用5種方法建立液化砂土p-y曲線：①考慮液化砂土壓力衰減效應的p-乘因子法，這也是表述液化砂土p-y曲線*普通的方法之一；②Goh等建議的采用與軟黏土p-y曲線形狀相似并用不排水殘余剪切強度表示土壓力的不排水殘余剪切強度法；③無強度法；④Gerber通過現場試驗并采用數學擬合方法建立了液化砂土p-y曲線經驗方程（未考慮砂層孔壓比影響）；⑤Menchawi基于大量振動臺試驗、離心機試驗和現場試驗結果，考慮砂土相對密度與孔壓影響，建立了統一p-y曲線模型（包括初始無土壓力區域，隨后樁位移超過初始區域后，土剪脹和土壓力增大區域和極限土壓力區）。作者帶領團隊建立了孔壓累積過程中砂土動力p-y曲線公式，系統研究了近岸液化場地單樁和群樁地震反應特征和失效機理等［26-31］。 2）有限元法液化場地樁-土-結構體系動力相互作用分析有限元法隨著計算機技術和試驗測試水平的迅猛發展［60，62］，從*初的線性總應力法，逐漸發展到基于有限元的非線性有效應力分析方法和采用復雜彈塑性模型并考慮水-土動力耦合效應的分析方法，從只能分析一維問題發展到能夠分析二維、三維問題，從只能夠進行飽和土體的分析拓展到多相非飽和土體的動力分析。砂土的本構模型從早期的線彈性模型，發展到黏彈性模型、彈塑性模型、邊界面模型、內時模型和結構性模型等土的高級本構模型。此外，很多有限元商業軟件可用于樁-土-結構體系動力相互作用分析，如ANSYS、ADINA、ABAQUS和DYNAFLOW等，但是這些軟件對于樁-土-結構體系動力相互作用分析一些重要特性的模擬并不理想。OpenSees地震工程數值模擬平臺是由美國加利福尼亞大學伯克利分校牽頭研發的一種面向對象的目標導向性的地震工程有限元數值仿真平臺，該平臺嵌入了多種土的本構模型，可用于模擬飽和砂土液化機理、飽和砂土壓縮與膨脹機理及耦合樁、土和水動力相互作用三維有限元分析，在樁-土-結構體系動力相互作用分析中取得了良好的模擬效果［62-65］。作者帶領團隊采用水-土耦合u-p有限元公式模擬土體位移和孔壓，考慮樁-土界面滑移機理與剪切屈服力耦合效應，自主開發了液化場地樁-土-結構體系地震相互作用彈塑性分析三維數值模型與計算方法，并將其拓展應用到液化場地橋梁群樁-土-多跨結構耦合體系和高樁碼頭體系的地震反應三維數值計算與分析中［65-69］。 1.2.3基于性態的液化場地樁-土-結構體系抗震理論與方法樁基結構的震害調查表明，僅以防治結構損傷為目標的抗震設計是遠遠不夠的［70-75］。基于此，美國學者針對結構工程，率先引入基于性態的抗震設計思路（performance-based seismic design），提出基于概率意義的設計方法，將基于性態的抗震設計分解為四個部分：①根據工程性態的不同需求確定地震防御目標，通過地震危險性分析，甄選出不同地震荷載對應的等級參數；②實施地震作用下結構的動力響應分析，進一步得到應力、位移和變形等工程響應參數；③提出結構的破壞指標，該指標由非線性響應量確定，同時，該指標應能夠反映真實的結構破壞狀況，據此確定結構修復的必要性與修復時間、修復費用等重要參量；④基于以上分析，由業主或決策部門進行綜合決策。日本也將基于性能的抗震設計思想列入了設計規范中，并提出了相應的性態標準。根據選定性態指標的不同，具體又分為基于位移、基于能量和基于損傷的設計方法。作者及其團隊基于概率的方法，研究了液化場地樁基抗震性能

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