桩筏连接形式对劲芯复合桩地震响应影响试验研究

为揭示桩筏连接形式对可液化地基中劲芯复合桩地震响应的影响规律,采用1g振动台开展了连接式和非连接式复合桩桩筏基础的模型试验研究,对比分析了2组试验工况中模型体系的固有频率和阻尼比、试验场地宏观现象、土体的超孔压和加速度、上部结构的加速度和位移、桩身弯矩等动力响应。2种工况中均输入不同地震动强度的El Centro地震波。试验结果表明：非连接式桩筏（DPR）工况中模型体系的固有频率小于连接式桩筏（CPR）工况的固有频率,而DPR工况的阻尼比大于CPR工况;采用DPR基础可减轻地基土体的液化程度,其超孔压比峰值比CPR工况最大可减少19.3%;在不同地震动强度下,中粗砂垫层的隔震效应使得DPR工况中地基土体和上部结构的加速度反应均低于CPR工况,0.4g El Centro波输入时,DPR工况中上部结构加速度放大系数比CPR工况减少13.5%;DPR基础的整体性和刚度相对较差,导致DPR工况上部结构侧向位移和筏板沉降均较CPR工况增加50%以上;地基液化导致桩身弯矩急剧增大,CPR工况中复合桩的最大弯矩出现在桩头,而DPR工况中桩身弯矩峰值出现在距桩头1/3~1/2桩长处,且DPR工况中桩基弯矩峰值较CPR工况减少近50%。因此,桩筏连接形式差异对劲芯复合桩地震响应影响显著,研究成果可为液化土层中劲芯复合桩桩筏基础的抗震设计与研究提供参考。     

近场地震作用下大跨高墩连续刚构桥易损性分析

近场地震作用对于大跨高墩连续刚构桥的破坏性更强。该文以某新建大跨高墩连续刚构桥为依托,考虑近场地震动下桥梁的地震需求概率,运用OpenSees对该连续刚构桥进行时程分析,通过云图法获得桥梁结构在近场地震下的响应,基于结构的曲率需求概率模型对桥梁进行易损性分析。结果表明：大跨高墩连续刚构桥在PGA较低时结构曲率需求概率响应集中,在较大PGA作用下结构的曲率需求概率降低。在近场的罕遇与特罕遇地震作用下,桥墩出现严重损伤和完全破坏的概率几乎为零,桥梁结构在设防场地下能达到中震可修、大震不倒的要求。     

抗震支座在高烈度区域曲线连续梁桥减震设计中的应用

为研究高烈度区域内,抗震支座对曲线连续梁桥的减震性能,采用有限元软件Midas Civil 2015分别建立设置普通橡胶支座与高阻尼橡胶支座的全桥三维模型,采用加速度峰值修正的EI Centro波作为地震动输入,对同样地震力作用下,桥梁结构的位移和内力响应进行对比分析,并采用弯矩-曲率曲线对其减震效果进行研究。分析结果表明,设置高阻尼橡胶支座能够有效地改善桥梁墩顶位移与墩身、桩身内力,抗震支座对横向位移减小效果明显,且由于改变了全桥的刚度分布,使得普通支座模型中承受较大弯矩的矩形墩内力大幅度减小,全桥内力趋于合理化。     

PHC管桩-土相互作用受力性能拟静力试验

针对现有《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)中设计计算方法难以适用于整体式桥台桥梁桩基的问题,以预应力高强混凝土(Prestress High Concrete,PHC)管桩试验模型为背景,进行了PHC管桩低周往复荷载拟静力试验。通过在桩顶施加水平位移荷载、埋设应变片、土压力计以及特殊设计的桩身水平变位测试方法,得到了PHC管桩桩身破坏特点、沿桩深方向上桩身水平位移与应变、骨架曲线和滞回性能曲线,初步探讨了桩-土相互作用机理,给出了PHC管桩-土相互作用的等效刚度计算方法。试验结果表明:预应力度和配筋率对PHC管桩的破坏模式有较大影响,裂缝分布规律不同,最大弯矩沿桩深方向发展,内力重分布;配筋率和预应力度越小,变形能力(延性)越差、破坏越严重,桩-土相互作用效果不佳;PHC模型桩在加载初期基本表现为线弹性性能,且水平外荷载主要由模型桩承担;当模型桩开裂后拉区混凝土退出工作,荷载增加减缓,表现出较明显的非线性性能,此后水平外荷载的增加主要由桩周土抗力承担;当桩周土压力达到极限时荷载开始下降并迅速破坏;试验全过程各模型桩均表现出了良好的塑性性能和变形能力,延性系数较大,抗震性能较好,可适用于整体式桥台桥梁桩基,研究结果可供有关规范的设计计算参考。     

刚性桩复合地基模型在拟动力试验下的桩身反应研究

随着刚性桩复合地基在土木工程中的广泛应用,其抗震性能越来越受到人们的关注,而复合地基中桩身动力响应是确定其抗震能力的关键。为此依据相似理论,设计制作出一套主要由钢制砂箱、砂土以及比例为1∶10的3×3群桩模型组成的试验装置。将装置置于伺服加载系统下进行拟动力试验,按照相关规范输入地震波加速度时程并施加上部荷载,获得不同工况下刚性桩复合地基桩身应力应变响应结果。试验结果表明:①各桩最大剪力均发生在桩顶处,对比不同位置桩的剪力,角桩剪力响应值最大;②各桩最大弯矩值均发生在Z/L=0.3~0.43的区间内,对比不同位置桩的弯矩,角桩的桩身弯矩响应值大于边中桩,而边中桩又大于中心桩;③保持地震波的加速度峰值不变,增大施加的上部荷载,剪力和弯矩响应值会有比增大加速度峰值更大的增加幅度。     

近场脉冲地震作用下穿越断层带隧道地震响应

在地震动峰值、速度脉冲及结构的地震响应等方面,近场地震动常表现出和远场地震动不同的特性。依据地震动破坏势从NGA-West2地震动库中选出2条近场脉冲型地震动,并与2条远场地震动进行对比分析,从而得到其频谱特性,即近场脉冲型地震波具有较明显的速度幅值,PGV与PGA比值及PGD与PGA比值较大,速度敏感区位于长周期段等特点。结合都汶高速公路龙洞子隧道工程,建立穿越断层带的隧道结构三维有限元模型,并以横断面方向分别输入近、远场地震波进行计算,研究近场脉冲型地震作用下穿越断层带隧道结构地震响应特性。结果表明：在近场脉冲型地震动作用下隧道的等效应变峰值较远场地震动大,并且在速度脉冲特性更显著的集集地震波作用下的应变峰值更大;与远离断层处相比,在断层面附近隧道横断面的等效应变峰值分布规律发生了变化,其横截面等效应变峰值最大处由拱脚变为拱顶,且在4种地震波作用下拱顶处结构的等效应变均超过了混凝土的峰值应变,进入破坏阶段;断层带内的隧道地震响应明显强于围岩条件较好的地层中的隧道,而断层带与较好围岩交界面附近的隧道地震响应更为剧烈,应变峰值随距断层距离的增大而迅速衰减。所得数值模拟结果与实际震害现象一致,可以为近场脉冲型地震动作用下穿越断层隧道的抗震设防提供参考。     

黏质粉土中在单向地震动输入下的低承台桩基动力响应特征分析

针对均质黏质粉土场地中上部荷载一定而设计了五桩一承台的布桩方式,采用强震记录的El-Centro-NS波前30 s地震动加速度时程作为地震动输入时程,进行了单向地震动输入的数值模拟,揭示了动力响应的特征及机理。数值模拟研究表明:墩顶、墩底、桩顶的加速度峰值分别是输入加速度峰值的2倍、0.8倍和0.76倍,表明上部结构的运动效应受结构惯性力影响更大;地表结构物的结构尺寸、荷载对地震响应具有显著的影响;承台与承台侧土体对加速度具有一定的削减作用。承台底面土体沉降先随着地震动小幅度波动,之后随着地震动幅值的增大,沉降迅速放大。五桩一承台布桩方式下,五根桩加速度峰值自桩端向上先增大,至埋深25 m附近开始减小,至埋深13 m附近峰值加速度减小到最小,再向上加速度峰值又迅速放大。     

地震荷载作用下深厚饱和砂土中桩动力特性试验研究

以某工程为依托,进行1∶20比例缩尺2×1桩基模型振动台试验,输入与当地地震设计反应谱接近的3种地震波,研究深厚饱和砂土场地条件下砂土-桩基-结构动力相互作用响应规律。试验再现液化宏观现象,研究表明：深厚饱和砂土场地对地震波高频部分过滤作用显著;随着地震动强度增大,场地液化程度提高,结构水平运动由高频向低频移动,频带范围变宽。同时,上部结构水平运动放大系数由4.56降低至2.75,但该效应对承台不明显;上部结构及承台在加载过程中相互影响,上部结构对承台的影响较大;砂层中部（距土体表面8D处）桩身弯矩相对于桩顶弯矩对输入地震波峰值加速度敏感度更高,随砂层液化程度增大而显著增大。     

非液化场地中桩-结构体系地震响应与桩基失效模式分析

基于非液化场地-群桩基础-上部结构大型振动台试验,建立了非液化场地-桩-结构体系地震响应数值计算模型,在分析桩-结构体系动力响应基础上,深入探讨动力荷载下非液化场地中的桩基失效模式。通过对比数值计算模型所得典型地震响应结果与试验结果,验证了数值计算模型的有效性和合理性,进一步探讨了非液化地基中土-结构体系地震响应规律,重点关注在地震作用下桩基失效过程及桩基-结构体系地震破坏模式。结果表明：在地震作用下,土体加速度在松砂层中不再放大,在最上部出现一定放大,且桩基加速度反应也有相似规律;各深度处土体动剪应力-动剪应变滞回曲线表现出对角线斜率小幅减小的趋势,说明等效剪切模量也出现不同程度的降低,也即地基各处土体抗剪强度均有一定下降;桩身最大弯矩出现在桩身中下部,在桩头与土层交界面附近桩身剪力较大,说明可能发生桩头剪切破坏或桩身弯曲破坏。     

近、远场强震下RC连续梁桥损伤及滞回耗能特性对比研究

以某高速公路RC连续梁桥为对象,建立可考虑桥墩非线性力学行为的全桥有限元数值模型,挑选典型近断层和远场强震记录,采用非线性时程积分方法并自编程序提取关键指标,对比分析了两类地震下频谱、峰值加速度(PGA)、持时等要素对滞回耗能、结构损伤的量值及其分布的影响规律。研究表明,地震动频谱特性对于结构地震响应有显著影响,PGV/PGA越大,会导致滞回耗能和损伤的显著增加;在同样的PGA和持时水平下,近场地震下桥墩各部位的滞回耗能及损伤均明显大于远场,且损伤沿桥墩出现的高度更大;在靠近墩底的一定范围内,近场地震下的滞回耗能和损伤所占比例小于远场,而在该区域以上则大于远场,表明近场地震下桥墩滞回耗能和损伤沿墩高的分布更加均匀。对比发现,近场地震对桥梁结构提出了更高的耗能和变形需求,且向桥墩上部延伸更加明显,对桥梁抗震设计提出了更高的要求。     

PHC管桩在地铁车辆段中的应用

地铁车辆段由于后期土方填筑量较大,常常发生工后沉降较大等问题。以杭州某地铁车辆段地基加固为例,通过现场高应变检测试验,探讨PHC管桩在地铁车辆段中的应用效果,分析桩身的完整性情况,验证PHC管桩的承载力。结果表明：PHC管桩竖向抗压极限承载力均大于1000kN,满足结构及设计要求；PHC管桩桩身结构完整性系数β均为1,表明检测的PHC管桩均为Ⅰ类桩；PHC管桩均已发挥了侧阻和端阻力,端阻力与总阻力比值位于37%~44%,侧摩阻力与总阻力比值位于56%~63%；PHC管桩在地铁车辆段地基加固中具有较好的应用效果。     

沿海软土地区PHC管桩-土-结构模型振动台试验

为了解沿海软土地区PHC管桩在地震作用下的动力反应、桩-土动力相互作用特性以及破坏模式,开展PHC管桩-土-结构模型体系的地震模拟振动台试验研究。通过输入3种不同地震波,并逐渐增加地震波峰值,研究预应力度、土体特性对模型体系的地震响应与破坏模式的影响。研究结果表明:土体饱和与否对模型体系的动力特性和地震响应影响较大,PHC管桩的预应力对其动力特性有一定影响,破坏模式也不相同;土体未饱和时,基本烈度地震作用下PHC管桩的一阶频率下降不大,土体饱和时,随着地震波激励的增加,模型体系的自振频率逐渐下降、阻尼比逐渐增大,PHC管桩-土-结构间的相互作用加大,结构开始损伤破坏,频率最大下降至初始频率的50%;预应力的存在可较显著地减缓地震作用下结构的损伤破坏;加速度峰值越大或者土体越深,孔压比越大,最大超过1.0,并出现液化现象,且液化持续时间远大于地震波持时。研究结果可为沿海软土地区PHC管桩的应用和规范的制定提供参考。     

近场脉冲型地震动影响下公路常规梁桥的位移响应分析

为研究近场速度脉冲型地震动影响下公路常规梁桥的延性需求和震后残余位移,将公路常规梁桥简化为非线性单自由度体系,并采用简单脉冲模型模拟近场速度脉冲型地面运动,通过NSPECTRA软件,系统分析了速度脉冲幅值、脉冲周期以及自振周期、刚度和强度退化、捏拢等对体系延性需求和震后残余位移的影响规律;并采用正交试验设计的极差和方差分析方法,对近场速度脉冲型地震动的特征参数和自振周期间的耦合效应进行了分析。研究结果表明:自振周期和速度脉冲幅值是影响结构延性需求和震后残余位移的主要因素;震后残余位移总体上随速度脉冲幅值的增大而增大;脉冲周期主要影响与最大延性需求对应的自振周期,对震后残余位移的影响较小,且没有规律性;刚度退化和捏拢均会显著增大短周期体系的延性需求,而对长周期体系的影响则可以忽略不计;体系刚度、强度退化或捏拢越严重,其震后残余位移也越大;除自振周期与速度脉冲幅值之间存在一定的耦合效应外,其他参数之间的耦合效应很小。     

软土场地大直径变截面群桩动力响应特性的研究

为探明软土场地大直径变截面群桩基础动力响应特性，以翔安大桥实体工程为例，应用FLAC 3D软件，构建桩—土相互作用模型，研究在5010、1004以及典型的Kobe波和El-Centro波作用下软土场地群桩加速度、桩顶水平位移、桩身弯矩和剪力动力响应规律。研究发现，覆盖层对地震波具有较强的“滤波”作用；桩端加速度峰值出现的时刻有不同程度的滞后现象，在5010波、1004波、Kobe波、El-Centro波作用下桩端加速度峰值出现时刻分别滞后0.54 s、2.00 s、0.46 s、1.34 s;桩顶加速度、桩顶加速度放大系数和桩身位移峰值在1004波作用时较大，分别为5.30 m/s²、6.84、227.30 mm,桩顶永久位移、桩身弯矩峰值和剪力峰值在5010波作用时较大，分别为50.63 mm、2.38 MN·m、195.55 kN;桩身弯矩峰值和桩身剪力峰值都出现在软硬土层分界面。在桥梁桩基础抗震设计时，应着重关注软土层分界处的抗弯能力和抗剪能力设计，且考虑各种类型地震波作用对桩基的影响。     

超大跨斜拉桥群桩基础多点振动台试验

为研究一致激励条件下大跨度桥梁群桩基础的地震响应,以一座试设计斜拉桥(全长2 672m,主跨1 400m)为原型,设计了1/70的桩-土-桥梁结构全桥物理模型,基于该全桥模型开展群桩基础振动台试验研究。采用微粒混凝土和铁丝制作钢筋混凝土主塔和桥墩,C40混凝土和6mm螺纹钢制作桩基础和承台,质量比为3∶1的砂子和木屑模拟土体。模型包含8组群桩基础,分别支撑过渡墩、辅助墩和主塔。地震波采用人工波Acce100,自然地震波El Centro,Mexico City和Chi-Chi,以研究不同卓越频率地震波输入对大跨度桥梁群桩基础的影响。分析群桩基础的地震反应规律,包括不同桥墩处桩基础的桩身加速度、位移和弯矩。结果表明:因不同位置处群桩基础振动特性不同,相同地震动经各群桩基础传递至过渡墩、辅助墩和主塔底部,产生不同变化,导致不同桥墩或主塔处输入上部结构的激励不同;支撑辅助墩和主塔的群桩基础,桩顶加速度和相对位移随着输入地震波加速度峰值的增加而增加,但峰值加速度放大系数降低。4种地震波中Chi-Chi波引起的各群桩基础桩顶相对位移和桩顶弯矩响应最大;输入地震动为Mexico City波时,过渡墩处的群桩基础桩顶相对位移、加速度峰值放大系数大于辅助墩处群桩基础的相对位移和放大系数,输入地震动为其他3种地震波时,结果相反。     

沉桩挤土效应的桩身与土体水平位移分析

依托XT高速公路K63+500附近引孔加桩加固管桩地基路堤工程,划出一块区域作为试验区,进行了管桩施工时的桩体及桩间土的水平位移测试,并根据桩体水平位移(沿深度)曲线推算得到新加管桩的桩身最大弯矩。结果表明:(1)沉桩挤土效应对桩体和桩间土所产生的水平位移基本一致;(2)由管桩和桩间土内测斜管测得的水平位移沿深度曲线计算出的最小曲率半径接近,其中曲线上段所得的管桩最小曲率半径是桩间土的0.93倍,下段为0.90倍。(3)引孔加桩施工的挤土效应明显,部分新加管桩桩身最大弯矩超过管桩最小开裂弯矩,可能已经出现开裂。     

考虑桩-土共同作用的PHC预应力管桩复合地基承载力研究

PHC预应力管桩复合地基是一种新型的地基加固方法，其与传统方法的主要区别在于桩与桩间土共同直接承担全部的上部荷载。以荣乌高速公路PHC预应力管桩基础为例，分别对管桩单桩承载力及桩体复合地基承载力进行研究，对比后得出以下结论：PHC预应力管桩复合地基的承载力远远高于单桩的承载力，计算所得桩体复合地基承载力是单桩承载力的1.5倍左右；PHC预应力管桩单桩的桩顶位移最大值出现在桩体达到抗压极限承载力时，卸载完成后桩体出现的破坏变形使桩顶及桩底位置无法恢复到加载之前的位置；PHC预应力管桩复合地基的总沉降量为桩体复合地基加固区的沉降量和下卧层的沉降量之和，可采用分层总和法对上述两种沉降量进行计算。     

地铁车辆段软弱地层PHC管桩现场试验

在软弱地层上修建地铁车辆段，由于后期土方填筑量大、列车运行振动等影响，若地基加固不到位，常常导致沉降过大甚至坍塌等问题。依托杭州软弱土层某地铁车辆段地基加固工程，现场开展PHC管桩单桩静载荷试验，研究PHC管桩在软弱土层地铁车辆段地基加固中的应用情况，验证了单桩承载能力。结果表明:PHC管桩静载荷试验中，沉降变化较均匀，Q-s曲线为缓变型曲线；单桩竖向极限承载力大于1976 kN，满足设计及结构要求；静载荷试验前后桩身的完整性较好；PHC管桩在地铁车辆段地基加固中具有较好的效果。     

地震下斜坡桩场地及桩基动力响应的数值分析

结合离心机振动台试验与开源有限元软件OpenSees研究了斜坡场地上桥梁桩基动力响应问题。首先基于多屈服面模型和桩土动力弹簧模型,对离心机振动台模型试验结果进行了验证分析。计算与实测结果的对比表明:数值模型可较好反映实测规律;桩身最大残余水平位移随El-Centro波地震动加速度幅值的增大呈非线性增加;桩身最终弯矩最大值出现在基岩与土层的交界面处;斜坡场地坡肩较坡顶在地震作用下更容易发生剪切变形,且软硬岩土层倾斜交界面将削弱其抗震耗能的能力。在此基础上,分析斜坡坡角、砂土重度和桩身直径3个主要因素对桩身和斜坡坡肩处土体动力响应规律变化的影响。结果表明:减小斜坡坡角或增大桩身直径均可降低地震荷载对桩基的影响,而砂土重度影响较小;3个因素对斜坡坡肩各深度处土体的动力响应均会产生影响,但其影响程度各有不同;较大的斜坡坡角会显著增加斜坡坡肩各深度处土体的剪切变形;增大桩身直径会大幅度减少斜坡坡肩处中层和深层土体的剪切变形,但对浅层土体影响较小。这些结论可为今后的工程设计提供参考。     

近断层多脉冲地震动作用下斜拉桥地震响应特征分析

为确定近断层多脉冲地震动的水平最强能量方向对大跨斜拉桥地震响应的影响,以港珠澳大桥青州航道桥(主跨458m双塔双索面钢箱梁斜拉桥)为背景,采用LS-DYNA程序建立全桥有限元模型,将利用多脉冲小波分析方法提取的地震动(PS类,对应水平脉冲能量最大方向上的地震动)和相应的原始记录地震动(RS类,对应地震动2个水平分量中峰值加速度较大的分量)分别沿顺桥向输入,分析桥塔、桥墩、斜拉索的位移和内力响应特征。结果表明:PS类地震动作用下,该桥塔顶纵向位移和墩顶纵向位移特征值比RS类地震动作用下分别提高35%、23.53%,塔底横向弯矩、墩底横向弯矩、墩底纵向剪力特征值比RS类地震动作用下分别增大6.92%、5.79%、14.16%;2类地震动作用下,塔底纵向剪力和斜拉索索力特征值相差不大。