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岩土地震工程学习总结


岩土地震工程学课程总结论文

岩土地震工程学课程学习总结
一、学习心得 岩土地震工程学是一门年轻的地震工程与岩土工程学的交叉学科, 涉及工程 地震、土动力学、结构动力学、土力学和岩土工程学等学科的相关知识,主要研 究地震动作用下岩土截至中的弹性波、土动力特性与本构关系、场地地震效应、 地基抗震技术、土与结构动力相互作用、地下工程抗震、土工构筑物抗震、土动 力特性测试技术与应用等问题。[1] 我认为这是一门对于现在的工程建筑具有极其 重要的现实意义的学科。 很荣幸,我能跟随陈国兴老师学习岩土地震工程学这一 门课程,并能够阅读该领域我国第一本专著《岩土地震工程学》 。该书其中很多 章节的内容都是陈老师幸苦耕耘的成果,主题内容都有自己的工作内容做支撑, 显得有说服力。 由于我本身并不是学习岩土工程专业的, 不过在大学期间学习了 《工程地质》 和《土质土力学》这两门相关的课程,也算是对于岩土工程这门学科有些了解。 但是,刚开始学习岩土地震这门课程时,还是略显吃力的。印象中比较深的还是 陈老师第一节课对于线性问题全量解以及非线性问的增量解的阐述, 这在我们进 行模型的数值模拟中是需要考虑的问题。 而在这之后的课程中主要学习了水平成 层场地地震反应、横向非均匀场地地震反应、土动力特性与震动液化、土体地震 永久变形和桩-土-结构动力相互作用等几章内容。 整个课程的学习过程中, 我认为我最大的收获便是从陈老师独特的授课方式 中得到了一种学习的方式方法。主要以看书为主,课堂的学习为主,然后找出自 己不理解的问题, 随后进行课堂交流以及与陈老师进行答疑讨论,这样可以使自 己对于问题的理解更加深入透彻。 我的专业方向主要是桥梁的抗震,而土体在地震作用下的各种变形,影响到 基础以及上部结构,应该说,桥梁的抗震与岩土地震工程还是有相当大的关联。 因此, 认真学习这门课程对我以后的学习研究会有较大的帮助。而通过课程的学 习和讨论, 我对与岩土地震工程中有关问题也产生了一点兴趣。下面几章节主要 就是通过阅读文献来阐述我感兴趣的研究课题以及我自己的一些想法和思考。 二、 桥梁群桩基础地震反应分析 在岩土地震工程学课程中, 我对于桩-土-结构动力相互作用这一章比较感兴
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趣, 而在这一章中, 深软场地上特大型桥梁群桩基础地震反应分析这一节与我的 研究方向也有所关联, 所以我查阅了相关的文献书籍,在接下来的篇幅中主要从 以下几个方面来浅谈桥梁群桩基础地震反应分析。 1.研究背景 20 世纪 90 年代以来,伴随这我国经济的高速增长,大跨度越江跨海大桥工 程建设得到迅猛发展。以江苏省为例,江阴长江大桥、南京长江二桥、南京长江 三桥、润扬长江大桥相继建成通车,苏通长江公路大桥正在建设中(现已建成通 车) ,南京长江四桥、崇启长江大桥、泰州长江大桥等正在筹建中。这些越江大 桥对促进区域经济乃至国民经济的发展具有重要的作用。[1] 特大型群桩基础作为 越江跨海桥梁结构的支承体系在工程实践中被普遍采用, 并已被证明能够满足桥 梁结构在正常使用状态下的功能和安全要求。但是,在强地震动作用下,群桩基 础的工作性能及地震稳定性并没有得到检验, 并且在抗震设计规范中关于地基土 对于桥梁基础的影响仅以若干定性条款从基础选址方面加以考虑。 因此对于桥梁 的群桩基础在地震动作用下的反应分析是十分有必要的, 这不仅仅是对于工程建 设有十分重要的意义,同时对于地震反应的分析也有着重要的推动作用。 随着越来越多的跨江跨海桥梁的建设, 桥梁的防护抗震也将成为桥梁建设中 越来越重要的一部分。 因此对于大型桥梁的基础抗震分析对于桥梁的使用性能和 安全性能,包括桥梁抗震保护措施都有重要的作用。 2.国内外研究现状 桥梁桩基础地震反应分析研究始于 20 世纪 60 年代,近十几年来,已经提出 了不少数值分析方法。范立础和袁万诚(1992)[ 2 ] 在分析上海南浦大桥竖向地震 反应时对北塔大型群桩基础地震反应进行了研究, 提出大跨桥梁结构非线性地震 反应分析可等价位一维非线性场地地震反应分析与考虑桩周土弹性约束作用的 多点激励下桥梁结构非线性动力反应分析的方法; 桩周土的约束作用以土弹簧代 替。胡世德和范立础(1994)[ 3] 采用了上述模型对上海南浦大桥和江阴长江公路 大桥进行了非线性地震反应分析。Mlonakis 和 Nikoloau 等(1997) [ 4 ] 采用子结 构法对成层场地土上群桩-桥墩体系在竖向传播的 S 波作用下的地震反应进行了 频域和时域分析。 采用等效线性动黏弹性模型考虑土的非线性影响,同时计及桩
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-桩之间的相互作用。该研究主要针对桥墩地震反应进行,并认为桩体振动产生 的辐射阻尼以及桩顶的转动分量对桥墩地震反应有很大的影响。Zechlin 和 Chai 等(1998) [ 5 ] 对 San Franciso-Oakland 海湾大桥上新建的两个大直径群桩基础支 承桥墩进行了动力非线性反应分析, 根据自由场反应分析得到的土体各点位移时 程建立了土-基础-桥梁结构相互作用的模型,考虑了深厚软土对输入地震动以及 桥梁结构振动周期的影响。Thavaraj(2000) [ 6 ] 采用集总参数模型对某大型群桩 基础的地震反应进行了分析, 模型中采用了一系列的弹簧和阻尼器来模拟桩基础 在强震作用下的非线性性能。 研究结果表明,桩基础和上部结构的相对刚度对桥 梁地震反应有很大的影响。He Jiang(2000) [ 7 ] 在对美国东部和中部公路桥梁的 抗震性能进行研究时,上部结构和桩采用梁柱单元模拟,桩周土采用非线性的 p-y 单元模拟。p-y 单元由塑性元件、弹性元件和阻尼元件三个元件组成,研究 发现:根据美国 AASHTO 抗震设计规范计算得到的桥墩顶部位移反应可能较考 虑土-桩 -结构相互作用效应得到的桥墩顶部位移反应小,可能导致不安全的结 果。 以往的研究认识到桩 -土 -桥梁结构动力相互作用上对上部桥墩和桥梁结构 地震反应具有一定的影响,并得出了一些富有价值的研究成果。然而,大多数的 研究都是针对单桩或是较为简单的群桩基础进行, 对于深软场地上采用大直径超 长桩的特大型桩基础的桩-土-桥梁结构动力相互作用的研究却鲜见报道。而越江 跨海桥梁基础所处的复杂场地环境、 大直径超长桩的特殊受力性能及空间效应等 客观因素可能对这类桩基础的抗震性能有很大影响。 3 阅读文献中国内外研究成果的简介分析 在文献[8]中,考虑动水压力影响的情况下对于桥梁基础进行抗震分析,采 用简化的 Morison 方程, 该方程忽略了桩体对水运动的影响,认为水对结构的作 用分别是由未受扰动的加速度场和速度场引起的沿水运动方向作用于结构上的 惯性力和阻尼力造成的。则地震动引起的动水压力计算公式为:

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V 为为桩体水下部分体积; A p 为桩体截面面积;
。。

u 、 u 分别为水的绝对加速度和绝对速度;



。。

x 、 x 分别为桩体的相对加速度和相对速度; x
g



。。

为地面运动加速度;

C M 为动水惯性力系数; C D 为动水粘性阻尼系数。 假设桥梁处于静水当中,即 u = u =0 时,则式(1)可写为:
。。 。

式(2)右端第二项为非线性项,将该项线性化处理,得到线性 Morison 方程:

式中 令

为桩体绝对速度的标准差。 为动水附加质量和动水附加

阻尼,则整个体系在地震作用下的动力平衡方程可以表示为:

由于动水阻力引起的结构的动力响应影响很小,为简化计算,这里忽略了 C w 的影响,则式(4)可以简化为:

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假定桩体两相邻单元中点之间水与桩体的相对速度不变,且作用在桩体第 i 个节点的作用力为与 i 点相连的诸构件受力总和的一半,即每个节点只承受单元 受力的一半,则附加于节点 i 处水的等效质量为:

式中 j 为与节点 i 相邻的节点; l ij 为第 ij 单元有效长度的一半。 应用 Morison 方程计算动承压力的关键问题之一是合理选取动水惯性力系 数 C M 。一般认为 C M 同雷诺数、Keulegan—Carpenter 数及结构表面相对粗糙度 有关。国内外内外有关规范给出了 C M 的取值范围。本文参照我国《海水固定平 台建造规范》的规定,取 C M =2.0。 接下来就是建立群桩基础的模型,还有土的本构模型,桩体混凝土的动力本 构模型。然后加载地震波,通过分析桩身的加速度反应、相对位移反应、剪力反 应、弯矩反应来反应群桩基础的抗震性能,主要是在动水压力的情况下。 从文献[8]的结论中,我们可以得知在地震动作用下,动水压力对桩身的加 速度、位移、剪力反应有一定影响。考虑动水压力时,桩身的最大加速度、相对 位移、剪力略有增大。由此可见,对于桥梁大型群桩基础,抗震计算中有必要考 虑动水压力的影响,忽略动水压力可能低估其动力反应。同时,由于桥梁结构体 系的差异和地震动随机性的影响, 这种动水压力的作用有待进一步地深入研究和 探讨,以使桥梁大型群桩基础地震反应分析更趋合理和准确。 剪切波速与标贯击数之间的关系也很密切。随着土层变硬标贯击数增加,剪 切波速也随之增加, 在不同的土层中这种差异十分明显。在已知剪切波速的情况 下,可以对土层标贯击数进行预估. ,并对场地的液化势进行判断。 而在研究中,由于塑性指数、液性指数、强度指标等变化很大,且该地区剪 切波速与这些参数之间的关系还不很明显,有待于进一步研究。 而通过阅读文献[9], 我们可以从 pushover 角度来分析群桩基础的抗震性能。 对桥梁结构进行抗震性能分析时 , 国内外广泛采用了 Pushover 分析方法。 Pushover 分析的基本思想是通过对结构施加某一模式的荷载, 并逐渐增加, 直至
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结构达到预定的变形状态或倒塌状态 , 得到结构顶点位移和基底剪力的关系曲 线, 称为能力曲线, 依据这一能力曲线评价桥梁的抗震性能。利用这一方法 , 能 够得到结构从线弹性到屈服、倒塌状态的内力、位移变化、以及塑性铰出现的位 置。

图 1 基于 Pushover 分析的群桩基础抗震性能评估

图 1 为基于 Pushover 分析的群桩基础抗震性能分析流程。由图中可见, 群 桩基础抗震性能分析的关键环节是建立正确合理的荷载模型、 弹塑性桩基结构模 型以及明确的抗震性能评价指标, 其中, 桩基结构模型又包括弹塑性桩身模型 和非线性边界条件的模拟。 同样,在进行抗震性能分析过程中,模型建立十分重要。基于 Pushover 分 析对结构进行抗震性能分析时,荷载模型必须要能反映结构在地震作用下的实际 受力和位移状态, 即与结构在地震中承受的惯性荷载密切相关。 事实上, 任何一 种荷载模型都不可能准确地反映结构在地震作用下的实际受力与位移, 因为结 构的地震反应往往有多阶振型的贡献, 而弹性阶段的地震惯性力分布同塑性阶 段的地震惯性力分布又有不同。但为了计算方便, 在进行 Pushover 分析时, 荷 载模型往往采用一个简化的近似模型, 一般根据结构的真实质量分布及一阶振 型形状来建立。

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图 2 Pushover 分析加载模型

加载模型以及群桩模型建立以后,就需要对于模型进行地震波载入,进行抗 震性能分析。 文献[9]中认为为群桩基础是桥梁结构中的一个特殊构件, 它本身又 由多个构件(桩)组成。因此在研究其抗震性能时, 把它作为一个整体构件, 借鉴 桥梁墩柱的抗震性能指标, 建议采用双指标来衡量群桩基础的整体抗震性能, 即 位移延性系数 L ? 和抗力增大系数 F ? 。 图 3 为群桩基础的 Pushover 曲线示意图, 即承台底中心的水平推力-位移曲 线。 其中, 群桩基础的屈服状态定义为第一根单桩达到屈服状态; 极限状态定义 为第一根桩达到极限状态。 而单桩的屈服状态对应于单桩最不利截面曲率达到屈 服曲率(截面内第一根钢筋屈服时的曲率) , 单桩的极限状态对应于单桩最不利 截面曲率达到极限曲率(截面内钢筋达到指定极限拉应变或混凝土达到指定极限 压应变时的曲率)。

图 3 群桩基础的 Pushover 曲线示意图

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群桩基础的最大位移延性系数 L ? 定义为群桩基础的极限状态对应的承台 底水平位移 u u 与群桩基础的屈服状态对应的承台底水平位移 u y 之比, 即:

群桩基础的最大抗力增大系数 F ? 定义为群桩基础的极限状态对应的承台 底水平推力 Fu 与屈服状态对应的承台底水平推力 Fy 之比, 即:

建模包括理论分析的过程完成之后, 可以用实例进行计算抗震性能分析得出 结论。文献[9]将群桩基础作为一个整体构件, 提出了基于 Pushover 分析的群桩 基础抗震性能分析方法, 建立了群桩基础的加载模型和非线性结构模型, 并提出 了衡量群桩基础抗震性能的两个指标, 即位移延性系数和抗力增大系数。根据这 一方法, 本文选取一个实际的桥梁群桩基础作为背景建立分析模型, 实现群桩基 础的抗震性能分析, 结果表明: (1)承台底的竖向力和弯矩水平对群桩基础的屈服状态和极限状态所对应的 侧向力和位移影响较大; (2)承台底的竖向力和弯矩水平对群桩基础的抗震性能指标影响很小; (3)群桩基础的位移延性系数平均值为 1. 84, 抗力增大系数平均值为 1. 15, 均较小。 4.我自己对于桥梁群桩基础地震反应分析的一些思考 通过阅读一些文献, 我们可以很清楚地认识到群桩基础往往是整座桥梁中的 地震易损构件, 由地震作用控制设计。而历次地震灾害调查也发现, 桩基震害在 大地震中较为常见。 群桩基础的震害主要表现为桩与承台的节点破坏、桩身的剪 切和弯曲破坏、桩基础的水平位移过大等等。 对于群桩基础的抗震研究, 国内外普遍关注的是地震反应问题, 进行了大 量的桩-土-结构相互作用研究, 通过试验研究, 包括现场试验和室内试验(离心 机试验和振动台试验) , 提出了多种群桩基础理论计算模型。对于群桩基础抗震
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设计涉及的另一个问题, 即群桩基础的抗震性能研究, 目前还较少。 由于对群桩 基础在地震下的抗震行为特性缺乏系统的研究, 使得群桩基础的抗震验算、 以及 抗震安全性评估缺乏充分的科学依据。 目前, 桥梁群桩基础的抗震验算没有可依据的规范条文, 工程上一般以最 不利单桩屈服作为验算标准。 但是, 群桩基础作为一个整体, 在最不利单桩达到 屈服后,整体承载能力如何变化, 各单桩屈服破坏过程又是如何, 对于这些问题, 目前还没有见到具体研究。 因此,我觉得,将群桩基础作为一个整体进行考虑,是一个对于群桩基础地 震反应分析的一个比较好的办法。通过有限元软件建立整体的模型,而这其中我 认为对于桩周土的分析也十分重要, 计算反应过程剪切波波速与其他参数的联系 也应该进行较为细致地分析,这样得出的地震反应分析才能较为准确。
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