公路桥梁冲击系数研究及在斜拉桥中的应用

冲击系数是桥梁设计的重要参数。对比各国规范对移动荷载冲击系数的计算公式,中国规范对冲击系数的要求偏低。文章结合斜拉桥动力试验实测数据,对比现行中国规范对冲击系数的要求,显示出仅用基频计算冲击系数和实测数据有较大差距。针对上述现象,文章提出斜拉桥冲击系数的取值方法,并建议制定针对斜拉桥等柔性结构体系桥梁的冲击系数计算方法。     

地震作用下顶部预留孔桩桩基动力响应分析

针对顶部预留孔桩基桥台桥梁抗震特性研究不足的现状,对顶部预留孔桩基在不同孔径、深度、填料情况下,进行桩-土相互作用振动台试验,计算得到了桩身加速度、弯矩、位移和桩-土体系频率等基本动力响应和动力相互作用规律。结果表明:预留孔参数的改变对预留孔桩外部土体动力性能影响不大;预留孔参数的变化会引起桩-土体系基频的变化,导致桩顶最大惯性力的变化;在桩身上部,惯性作用对预留孔桩-土动力相互作用产生重要的影响,而对于距土体表面14倍桩径以下的桩影响不大。     

基于移动最小二乘拟合大跨结构动载实验冲击系数分析

将移动最小二乘法引入桥梁动载实验中,通过对某大桥进行动载试验,取了桥梁结构的基频、振型等动力响应参数,了解结构冲击荷载的动力特性。在计算冲击系数计算时候引入最小移动二乘法,使得拟合的效应时间历程曲线更加光滑,将计算误差降到最低。     

地震下单桩动力响应的有限元模拟

采用ANSYS结构分析软件建立了三维有限元实体模型,计算了地震作用下桩—土动力相互作用体系的动力反应,分析了体系的加速度反应、位移反应、桩身应变、桩身挠度、桩身弯矩、桩身剪力和桩土间接触压力等,并探讨了桩土刚度比、上部荷载等参数对桩—土相互作用体系的影响。     

基于流–固耦合的近海风电基础地震反应分析

结合近海风电单桩及四桩基础支撑体系工程实际场地资料,采用有限元数值分析方法,考虑水–土–结构动力相互作用,即考虑流–固耦合效应、饱和土的多孔介质渗流属性及桩–土接触相互作用,分析结构体系动力特性及地震反应。分析单桩有水与无水及四桩有水与无水4种工况支撑体系的自振特性和单桩有水与无水2种工况支撑体系的地震反应。结果表明:水层对结构低阶频率影响不大,对高阶频率降低幅度较大;水层对体系的水平位移、竖向沉降、峰值加速度及有效应力均有不同程度地削减;地震作用下土体的超静孔隙水压力呈现波动特性;结构的位移及应力响应均能满足规范要求。证明考虑多介质耦合的动力有限元分析方法是解决复杂海上风电基础地震响应的有效方法。     

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。     

考虑桩-土-结构相互作用影响的多层厂房振动分析

通过引入黏弹性人工边界,建立了桩-土-结构相互作用的厂房整体有限元分析模型,对设备作用下的多层厂房振动进行较为全面的分析,并就模型简化及桩-土体系对系统的影响进行对比研究。实例计算表明:桩-土体系的参与降低了系统自振频率,并对结构的动力响应产生了一定的影响,但在水平与竖向两个方向上存在差异。高频设备荷载作用下,桩-土体系的参与对厂房的水平振动影响不大,而会造成结构竖向动力响应放大。桩体在水平振动表现为弯曲变形,变形主要集中在上部,在竖向振动中则表现为整体振动。     

桩—土相互作用对连续梁桥的动力特性影响

通过采用ANSYS软件作为桩—土—结构动力相互作用分析的工具,建立了不同的连续梁桥计算模型,进行线性体系的模态分析,比较研究了两种体系下的连续梁桥的动力特性,得出：考虑桩—土—结构相互作用效应后,结构体系的动力特性将改变。     

桩土变形计算模型和变刚度调平设计

不同基宽压缩层深度、基础和桩侧土变形范围、双桩相互影响系数以及桩顶荷载分布的测试结果说明 ,土 -土、桩 -土、桩 -桩相互作用效应较连续介质弹性理论值明显弱化。这是导致按弹性理论计算沉降和相互作用影响偏大的基本原因。本文提出土 -土、桩 -土、桩 -桩相互作用影响计算修正模型 ,应用于高层建筑地基 -基础 -上部结构共同作用计算 ,工程验证表明实测沉降等值线与计算接近 ;并提出共同作用变刚度调平优化设计概念与方法 ,应用于 7项工程 ,收到了大幅节约桩基造价、减小差异沉降的效果。     

围护桩与工程桩共同作用的分析与计算

“一桩三用”技术将排桩围护体系加以利用 ,围护桩除了在基坑开挖过程中作为挡土结构之外 ,还可作为建筑物工程桩承担上部结构荷载或作为地下室抗浮桩 ,同时通过桩墙合一技术使排桩与地下室外墙形成复合结构共同抵抗水土压力。本文从三桩模型入手 ,推导出条形基础下不同刚度桩桩顶反力的解析式 ,并引入相互作用系数考虑桩与桩之间的共同作用。通过用MATLAB编写的计算程序分析了多桩情况下的荷载分配情况及影响因素。     

相互作用体系中桩基的动力响应

率先在国内开展了对一种新型变截面桩-土-高层建筑结构体系动力相互作用的试验研究。通过振动台模型试验,观察了桩-土-结构体系动力相互作用的现象,验证和掌握了新型桩体与结构的震害特点。根据试验测定的数据,研究了支盘桩-高层建筑结构体系的动力特性和地震反应,重点分析了支盘桩的动力响应。通过计算和分析得出:桩-土接触压力时程曲线揭示了在地震动激励下桩-土之间存在着拉开和再接触的现象,表明支盘桩在动力相互作用过程中承受了拉、拔荷载,说明和证实了当基础具有较大的抗拉、抗拔和抗扭曲能力时,才能更好的发挥动力相互作用体系的抗震性能和减轻震灾;桩基两侧对应测点的应变时程曲线呈反向关系,表明在地震作用下,相同时间内桩基一侧受拔,另一侧受压,解释了地震区房屋产生倾斜、倾倒震害现象的根本原因。     

对桩承结构上下部水平抗震理解的联合预估

结合平面动力有限元与简化三维集中质量法(S-R模型)对水平地震作用下的群桩-土-结构体系的动力性能进行了理论预测,可用来计算不同构型、桩数、土层属性下的结构系统动力反应。算例分析表明,由于土与基础的参与,考虑相互作用后结构位移及层间位移反应增大;受结构、桩基础及土层属性等多因素影响,结构内力在某些地震频谱作用下反而会有所增加,而固基情形下的加速度反应谱曲线对相互作用的反应结果并不一定形成包络,两种方法在对相互作用结构进行动力反应的量化数值分析和定性评价上均有良好的一致性。     

行波效应下多联长跨组合结构桥梁地震响应分析

以一座全长1 855 m的多联长跨组合结构桥梁为背景,建立全桥空间杆系有限元模型,讨论了桩土相互作用简化模式对模型计算结果的影响,利用绝对位移法计算了该桥在多种行波激励工况下的地震响应,研究了激励输入模式、视波速、行波输入方向等因素对组合结构桥梁地震响应的影响规律,并通过计算,探讨了行波效应对多联长跨组合结构桥梁伸缩缝处联间相对位移的影响.研究表明,不同桩土相互作用简化模式对计算结果影响很大;行波效应会使组合结构桥梁结构位移尤其是支座变形及联间相对位移的地震响应增大,设计时应采取相应的改善措施.     

饱和黏弹性土中单桩的纵向振动

基于Biot两相介质模型,在频率域内研究了简谐荷载作用下饱和黏弹性土中桩纵向耦合振动特性。借助Novak平面应变模型推导了饱和黏弹性土层的控制方程。将桩等效为一维杆件模型,建立了桩的振动方程。根据桩土连续性条件,求得了桩顶的动力刚度和动力阻尼。与Novak解进行了对比,并考察了长径比、流固相互作用系数、土骨架的阻尼比、桩土模量比等参数对饱和土桩系统纵向振动的影响。结果表明:单相和饱和黏弹性土中桩的动力特性存在一定差异;随着长径比的增加,动刚度因子和等效阻尼的共振效应明显减弱;而随着模量比的增加,共振效应和基频都有所增大;流固相互作用系数和土骨架的阻尼比影响相对较小。     

车辆荷载下连续刚构桥冲击系数分析

为了研究桥梁在移动车辆荷载作用下的动力特性和冲击系数,以某连续刚构桥为计算实例,采用有限元软件Midas/Civil建立桥梁结构的有限元模型,将车辆荷载近似模拟为三角形荷载,用时程分析法分析了车辆荷载作用下连续刚构桥的动力响应特征,分析了车辆在不同车速、不同车重作用下车辆荷载因素对连续刚构冲击系数的影响规律,并提出相应的结论,为桥梁结构在移动车辆荷载作用下的安全性、适用性提供参考依据。     

某斜拉桥车辆荷载动力响应分析

利用空间有限元软件以某斜拉桥为实例,建立了空间分析模型,并在此基础上进行了车辆荷载作用下桥梁结构动力时程响应分析研究。根据车辆过桥动力响应分析的结果求得不同车速、不同截面上的冲击系数,并与规范方法计算的冲击系数进行对比。其结论不仅为该桥车辆荷载冲击系数的取值提供了重要的依据,同时也可为同类桥梁冲击系数的取值提供参考。     

层状场域内桩-土-上部结构的整体动力有限元模拟

利用整体动力有限元方法 ,在考虑了模型的边界效应和桩土界面的滑移、接触非线性行为的基础上 ,较全面地研究了层状土域中桩基上下部结构的惯性相互作用和运动相互作用两种基本效应。通过实例计算表明 :土的分层和桩土非线性共同作用可以明显降低体系的动力加速度峰值和层间位移反应 ,而且土与桩的脱离与闭合对桩土刚体相互作用的影响较大     

成层地基–桩基–结构动力相互作用体系的计算分析

以一个1∶2大比例模型结构–地基的动力相互作用模型试验为基础,结合通用有限元程序MSC.Marc,对成层地基–桩基–结构动力相互作用体系进行了三维有限元分析。计算中采用考虑土非线性特征改进的黏弹性人工边界模拟外部土域,利用考虑动力相互作用中桩土分离、滑移以及桩基提离效应的接触模型反映桩土接触界面特性,并引入阻尼项表征桩土动力作用中的能量损耗,土体采用等效线性模型。通过计算分析与试验的比较研究,验证了计算模型和分析方法的合理性,进行了地震动输入下的地震反应分析,为地基–结构动力相互作用的进一步研究奠定了基础。     

考虑群桩效应的大刚度结构的地震反应分析

基于改进的Gazetas均质土中桩-土-结构相互作用三步法计算模式,引入轴向力影响导出了一种计算层状介质中动力相互作用的新方法,扩展了群桩-土相互作用简化法的应用范围。在考虑群桩效应的基础上,对两种规范未要求进行共同作用计算的新型大刚度高层结构(带交叉斜撑的钢管混凝土框架结构和配筋砌块砌体剪力墙结构)进行了群桩-土-上部结构体系的地震反应分析。分析表明,引入群桩运动相互作用后的一体化抗震设计,可以从量化和定性两方面来较为简捷、准确地预估体系的共同作用效应程度,而按一般概念上的单纯根据位移的增大或加速度的减少来判别共同作用的产生大小是不合理的。配筋砌块砌体剪力墙结构在一定的桩土条件下反而会有更强的动力相互作用效应。上述两种新型结构都应纳入规范考虑上下部共同作用的结构体系的范畴。最后,提出了一个可以综合考虑多项影响参数的量化判别公式,可以快速判别群桩-土-上部结构是否需要开展相互作用的计算。     

激振荷载作用下桩基础动力响应的现场试验分析

为了研究水平和竖向激振动力荷载作用下单桩和群桩的承载特性，设计了水平和竖向激振荷载下单桩、两桩、三桩和四桩在多层土中的动力试验方案。对现场试验数据采集得到了单桩、两桩、三桩和四桩的桩头位移，分析了桩头位移随着激振频率和桩数的变化规律。基于试验结果，给出了单桩、两桩、三桩和四桩的水平和竖向刚度，分析了桩头刚度随着桩数和激振频率的变化规律。并采用刚度得到了群桩动力效率系数，分析了动力效率系数随着群桩桩数和振动频率的变化规律。试验结果给出了位移、桩头刚度和群桩相互作用系数的变化规律，为简化理论计算方法和验证计算模型提供了宝贵的数据。