随机地震激励下群桩-土-桥墩相互作用分析

考虑地震动的随机性,利用复反应分析技术,采用随机地震反应计算方法对某一特大型桥梁群桩基础与土动力相互作用效应进行了数值试验研究。将土与群桩体系视为一个整体进行有限元离散,采用等效线性化方法考虑土体的动力非线性性能。将桥墩-群桩-土相互作用体系与自由场随机地震反应进行比较,结果表明:相互作用效应的影响与桩土模量差异以及土体与群桩基础距离有关。软土层剪应变水平及分布发生了显著变化,群桩基础两侧附近土域剪应变呈现明显的弧形分布;地表及浅层土体最大地震加速度反应有所减小,但覆盖层中下部土体加速度反应峰值明显增大,增幅达5%~30%左右;此外,地震地面运动的频谱成分存在显著差别。桥梁桩基础抗震设计中应充分考虑桥梁结构-群桩-土相互作用效应。     

考虑土-结构相互作用的弹簧-地下结构体系静力推覆试验技术及其试验研究

地下结构静力推覆试验由于具有模型结构尺寸较大、应力水平可控等优点，适用于研究抗震性能问题。为了解决考虑土-结构相互作用的土-地下结构体系静力推覆试验过程复杂、费用昂贵的问题，研究了试验过程相对简单、可近似考虑土-结构相互作用的弹簧-地下结构体系静力推覆试验技术，通过引入弹簧单元模拟结构所受初始土压力及推覆过程中的土-结构相互作用，通过压缩模型两侧弹簧及施加竖向均布荷载以模拟结构所受初始土压力，通过限制模型底部水平位移，并在模型侧顶部作用水平推力将模型自初始状态推至破坏以模拟结构所受水平地震作用。以1995年日本阪神地震中破坏的Daikai车站为原型，制作几何缩尺比为1/5的模型，基于上述试验装置设计了详细的试验方案，开展弹簧-地下结构体系静力推覆试验以验证该试验方法的可行性。通过试验得到模型受力全过程剪力-层间位移能力曲线、模型结构裂缝发展部位及结构破坏形态，分析试验结果可知，在地震作用过程中，周围土体对地下结构的约束作用明显，周围土体的存在提高了地下结构的抗侧向倒塌能力，中柱是模型结构的薄弱构件。     

面向地下结构-土-地表隔震结构相互作用体系的性能评估框架研究

地下结构-土-地表结构相互作用 (USSI) 对周边场地及结构产生不可忽略的影响,为此,文章提出了一种考虑USSI的滑板隔震结构性能评估框架。该框架通过一系列振动台试验与数值模拟研究为目标隔震结构提供了性能评估参考模型数据库。以隔震结构参数设计与性能评估为目标,研究开展了地下结构-土-地表隔震结构动力相互作用系列振动台模型试验,基于试验结果建立了考虑USSI的隔震结构动力分析模型,对隔震结构在地震作用下的响应指标进行了分析与评估。研究表明：地下结构对地表及周边结构地震响应影响较大,其中以层间位移最为显著。本案例中的隔震结构不仅在控制加速度、层间位移以及层间剪力等方面效果显著,而且可有效削弱地铁车站对地表结构抗震安全的不利影响。所提性能评估框架可靠有效,可作为基准框架为此类重要隔震建筑进行评估与分析。     

隧道–土体–地表结构相互作用体系地震响应影响因素分析

为探讨地下结构近距离穿越地表结构时二者之间地震响应的相互影响规律,建立隧道–土体–地表框架结构相互作用体系计算模型,系统研究对该体系地震响应影响显著的参数,具体包括:隧道的直径和埋深、土体的分层特性、框架结构的高宽比及其与隧道圆心的间距、输入地震波特性等。计算分析表明:(1)隧道对体系自振特性影响并不显著,但地表框架结构则显著改变了体系的频率特征;(2)隧道对地表框架结构地震响应的影响主要与隧道的半径相关,较大的隧道半径可阻隔地震波的传播,从而起到一定的减震功能;(3)由于考虑的框架结构质量相对较轻,地表框架结构对隧道地震响应的影响不显著;(4)由于地震波频谱成分及结构自身频率的影响,不同地震波对体系地震响应的影响十分显著;(5)土的分层特性改变了土体的刚度,因而也影响了体系的地震响应。研究成果可为初步定性确定地下结构与临近地表结构地震响应的相互影响提供参考。     

地基-基础-支护结构-上部结构动力相互作用体系的计算分析研究

利用通用有限元程序ANSYS针对地基-基础-支护结构-上部结构动力相互作用体系进行了计算分析，探讨了支护结构的存在对高层建筑抗震性能的影响，计算中土体的本构模型采用等效线性模型，利用粘-弹性人工边界作为土体的侧向边界，并研究了支护排桩长度和刚度、上部结构刚度以及基础型式等参数对动力相互作用体系的动力特性及地震反应的影响。     

考虑土-结构相互作用的基础隔震体系动力特性分析

本文以基础隔震体系为研究对象,利用ANSYS软件建立了三维有限元模型,讨论了考虑土-结构相互作用的基础隔震体系动力特性,并研究了隔震层和相互作用对体系动力特性的影响因素,以揭示土-基础隔震体系相互作用机理。分析结果表明,考虑相互作用和基础隔震后,结构体系的自振周期延长。改变土体的特性和隔震层水平、竖向刚度,体系的动力特性也会随之改变。     

基于等价线性方法的地铁车站结构非线性地震响应分析

地下结构受周围土体的束缚,地震时周围土体的变形直接决定了地下结构的地震响应,因而土体的非线性特性应合理考虑,然而目前的成熟软件自身缺乏较好的土体非线性本构模型。基于等价线性方法基本原理,利用大型通用软件ANSYS平台及其参数化编程语言,实现了等价线性模型Hardin模型在ANSYS中的初步开发,并利用目前成熟的一维地层地震响应分析程序EERA进行验证,然后利用编写的程序考虑土体非线性特性,对典型地铁车站结构进行计算分析。不同工况计算结果的对比分析表明土体非线性特性对体系地震响应影响主要体现在3个方面:1)土体耗能更多,因而体系地震响应降低;2)考虑土体非线性特性时体系逐渐"软化",频率降低,中高频成分被土体吸收;3)地下结构对周围场地土的影响规律完全相反,线性时地下结构的存在会放大场地土响应,且影响范围大,而非线性时则减小场地土的响应,但影响范围相对较小。     

地基-结构动力相互作用对基础隔震效果的影响

以多层基础隔震框架为研究对象,利用有限元分析方法,研究地基-结构相互作用效应对基础隔震结构隔震效果的影响。对考虑和不考虑SSI效应时隔震体系的动力特性和地震响应的差异进行对比,并对地基-结构相互作用效应各组成因素对隔震后地震响应的影响规律进行分析。分析结果表明,地基-结构相互作用效应对基础隔震结构存在影响,在工程设计中,隔震结构不应忽略地基-结构相互作用效应的影响。     

考虑土体非线性的核岛结构桩基础三维地震反应特性

以某沿海拟建的AP1000核岛结构为背景，用3D集中质量-梁杆模型模拟核岛结构，考虑土体的非线性滞回特性，建立非均匀地基-群桩-厚筏-核岛结构体系的3D有限元模型，选用近场中强震、中-远场强震和远场大地震的三分量记录作为基岩输入地震动，分析群桩基础的地震反应特性。非线性场地效应和土-桩-结构动力相互作用效应的耦合作用会显著增大核岛结构的基础输入运动，不论基准运行地震或安全停堆地震，基础输入运动的水平向和竖向上包络加速度反应谱(5%阻尼比)的谱值显著大于对应的AP1000标准设计反应谱谱值；桩顶累积绝对速度和地震峰值内力的大小受基岩输入地震动特性的影响显著，与场地反应的非线性程度正相关，其复杂的空间分布特征也受土-桩-结构动力相互作用效应和桩的几何布置的综合影响，桩-筏交界处的桩身地震内力反应最大，中-远场和远场强震作用对核岛桩基础的潜在破坏风险可能远大于近场中强地震作用。     

地下结构地震反应的主要特征及规律

目前,有关地下结构地震反应特征的一些重要的规律性认识仍然缺乏严格的理论推断或认识欠深入。文章基于地下结构地震反应的二维动力有限元数值分析模型,定量分析了场地土、结构以及土-结构体系的动力特性和土-结构柔度比对地下结构地震反应的影响。结果表明,对于地下结构而言,土-结构体系的动力特性主要受控于场地土的动力特性,地下结构地震反应主要取决于场地土的动力特性或基岩地震运动引起的场地土的体积惯性力和土-结构柔度比;结构顶底板水平最大相对位移、关键构件截面弯矩随着土-结构柔度比分别单调减小和增大,结构关键构件截面的剪力、轴力值和土-结构接触面的最大平均剪力系数随着土-结构柔度比的增大变化较复杂。     

近距离地下穿越结构地震响应研究综述

鉴于设计和使用要求,近距离地下穿越工程大量涌现,形成了土体-相互穿越结构群复杂相互作用体系。多个地下结构出现近距离穿越情况时,在地震作用下结构与临近土体以及结构之间均存在动力相互作用,地下穿越结构体系的地震响应规律更加复杂。基于对大量实际近距离穿越工程案例的归纳整理,将地下穿越结构大体分为隧道相互穿越体系、隧道穿越地铁车站体系、地铁车站相互穿越体系。在总结地下穿越工程特点的基础上,分别阐述各穿越体系地震响应研究现状和进展,指出现有研究中存在的不足和问题,并对今后进一步研究的方向给出了一些建议。     

土–地铁动力相互作用体系侧向变形特征研究

针对现有地下结构抗震分析方法用于地铁大型地下结构的可行性研究明显不足问题,根据中国抗震规范的相关规定设计了常见的3种场地类别,考虑输入地震动特性及其强度,通过84种有限元计算工况,分析了土–地铁地下结构非线性动力相互作用体系的侧向变形特征。结果表明,在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ3个场地类别条件下输入加速度峰值较大时(0.3g和0.4g),或者场地类别为Ⅳ类时即使输入很小地震动峰值加速度时,土与结构相互作用系数均小于1,即大型地铁地下结构侧向土体总是"推着"地下结构产生最大相对变形,此时地铁地下结构周围土层的大变形将对地下结构抗震造成不利的影响。反之,将会出现地铁地下车站结构侧向最大变形大于等代土体单元的侧向变形,即地下结构的动力变形将受到周围土层的约束作用,此时将对地下结构的抗震起到有利作用。同时,也给出了场地类别和输入地震动特性对土–地铁地下结构相互作用系数的影响规律。     

饱和软土场地中地下结构非线性地震响应分析的一个FEM-IBEM耦合方法

基于Biot孔隙介质理论,提出了饱和软土场地中地下结构非线性地震响应分析的一个有限元–间接边界元(FEM-IBEM)耦合方法。方法考虑了饱和土骨架与孔隙水的动力耦合作用及饱和土–结构动力相互作用,并通过等效线性化方法考虑土体的非线性。该耦合方法的特点之一是有限元子域和间接边界元子域相互独立,非常适合并行计算,提高计算效率;特点之二是能够同时考虑有限元子域(近场)和间接边界元子域(远场)的土体非线性。通过与文献结果对比,验证了FEM–IBEM耦合方法的正确性和计算精度。以天津滨海地区一典型深厚饱和软土场地中两层双跨地铁车站为例,计算了地铁车站结构的地震内力和变形,并比较了饱和土体线性和非线性情况下地铁车站地震响应的差别,和饱和土体模型和单相土体模型情况下地铁车站地震响应的差别。研究表明:土体非线性对地铁车站结构的地震内力和变形具有显著影响;饱和土骨架和孔隙水的动力耦合作用对地铁车站结构地震内力和变形也有明显影响。     

群洞效应对紧邻交叠盾构隧道及场地土地震响应影响的初步分析

随着地下空间开发利用的深度和广度的进一步发展,近距离、复杂、相互穿越的大型地下空间工程必将大量涌现,各地下工程必将影响到其他相邻地下工程的抗震性能。以武汉地铁二号线和四号线工程在洪（洪山广场站）中（中南路站）区间的紧邻四孔交叠盾构隧道为依托,建立不同隧道数目的计算模型,分析了00093;群洞效应00094;对近距离多孔盾构隧道地震响应以及对场地土动力特性的影响规律。计算分析结果表明：①下卧隧道能在一定程度上阻断地震波的传播,起到减震的作用;②上层隧道的存在降低了周围土层对邻近隧道的约束作用,即降低了邻近隧道的抗震性能;③00093;群洞效应00094;对场地土基本周期以及地表加速度放大效应的影响均不显著;④浅层上覆土层对隧道抗震性能及场地土加速度放大效应影响显著。     

下穿隧道-土-地表邻近框架结构相互作用体系

在中国城市轨道交通快速发展的推动下,隧道等地下结构近距离下穿地表建筑物的案例越来越多。对于相互穿越工程,较多的关注在于隧道等地下结构动态施工对地表建筑物安全的影响,而忽视了隧道建成后对被穿越的地表临近建筑物抗震性能的影响。拟结合某实际工程,建立盾构隧道-土体-地表邻近框架结构相互作用体系二维数值计算模型,对比分析隧道与邻近框架结构相互之间地震响应影响规律。计算分析表明：①隧道的存在使隧道两侧土体表面出现一个地震响应放大区;②下穿隧道对地表框架结构的地震响应有部分影响,但影响程度有限;③地表结构的存在对隧道结构地震响应的影响较小,可忽略不计。研究成果可为地下结构的规划以及地表结构与地下结构的抗震设计提供参考。     

上覆土竖向惯性力对浅埋地下框架结构地震损伤#br# 反应影响离心机振动台模型试验研究

已有研究表明不同轴压比下中柱侧向变形能力是影响浅埋框架地铁车站结构抗震性能的关键因素。为了研究由竖向地震作用引起的柱轴压比增高对浅埋地下框架结构的地震损伤反应的影响,采取在结构上覆土中掺入钢砂的方式体现上覆土的竖向惯性力作用,开展地下结构地震破坏离心机振动台模型试验研究。试验结果表明：结构上覆土体掺钢砂的方式对土-结构体系的动力特性、地震作用下地下结构顶、底板水平相对位移反应影响不大;增加上覆土竖向惯性力较大地改变了围岩土体与地下结构的接触压力分布形式,进而改变结构各构件的内力状态,使得框架结构中的关键竖向承力柱的轴压比升高;增加上覆土竖向惯性力导致地下结构框架受力及中柱轴压比增高的后果使得地下框架结构更易发生地震破坏。     

冻土–桩动力相互作用模型试验系统研制

桩基础是冻土区大型结构物的主要基础型式，但目前学者对冻土环境中桩基动力特性的研究甚少。在比较分析国内外在该领域研究现状的基础上，设计了一套冻土–桩动力相互作用模型试验系统，主要包括动力加载系统性能参数的确定与设计、模型试验箱的设计与制冷效果分析、加载工作架的设计及其与试验箱的拼接等。试验结果表明，所设计的试验系统能为试验提供所需的冻土环境，结构牢固，能较好地模拟分析冻土–桩动力性能，此外该试验系统还可应用于其他冻土问题的试验研究。     

Numerical analysis of a shaking table test on dynamic structure‐soil‐structure interaction under earthquake excitations

Structure‐soil‐structure interaction (SSSI) phenomena under earthquake excitations are investigated in this paper. Based on the results of the shaking table test, this work presents a 3‐dimensional finite element numerical simulation method using ANSYS software. In the simulation, an equivalent linear model is assumed for soil behavior, and contact elements are adopted to consider the nonlinearity state of the interface between foundation and surrounding soil. In addition, constrained equations are added to manage the uncoordinated degrees of freedom. By comparing the results of the finite element analysis with data obtained from the shaking table test, the dynamic response of the shaking table test can be simulated properly. Finally, the dynamic response of adjacent structures considering the SSSI effect is analyzed. The results show that with increased excitation, contact pressure, strain amplitude, and pile slip increase, whereas the peak acceleration magnification coefficient decreases. These results are significant for studying the effect of SSSI on seismic responses of structures.     

地铁地下结构抗震分析及设计中的几个关键问题

针对我国尚缺少完善的地铁地下结构抗震分析方法和专门的地铁结构抗震设计规范的现状,在分析目前我国地铁等地下结构抗震研究及设计方法的基础上,重点阐述了需要迫切解决的五个关键问题:合理的地下结构动力分析模型,高效的地下结构-地基系统动力相互作用问题分析方法,合理而实用的地铁地下结构地震破坏模式和抗震性能评估方法,地铁地下结构抗震构造措施,地铁区间隧道穿越地震断层的设计方案及工程措施。这些问题的研究和解决将为地铁地下结构抗震设计规范或规程的制定奠定坚实的基础。     

土动力学与岩土地震工程

近年来,随着交通和能源基础设施建设的快速发展,循环动载引起的工程问题使得土动力学与岩土地震工程的研究面临许多新的课题。文章简要评述土动力学与岩土地震工程在国内外的研究现状,着重讨论土的剪切模量、高速铁路路基动力响应及累积沉降、土体地震液化、地下结构地震响应及其抗震设计、跨海桥梁与海上风电基础的动力学问题等方面的最新进展,并进一步阐述今后研究的方向。