浅谈桩—土—结构动力相互作用的数值分析

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1、武汉理工大学硕士学位论文桩—土—结构动力相互作用的数值分析姓名：杨小卫申请学位级别：硕士专业：岩土工程指导教师：胡春林20060401武汉理工大学硕士学位论文摘要桩基是一种历史悠久而又被广泛采用的基础型式。历次世界大地震中，均出现了各类桩基础的严重破坏现象。由于破坏的隐蔽性，使得己破坏桩基的修复极为困难而且耗资巨大。在现有桩基抗震设计规范中提出了一些桩基抗震的构造措施，但缺乏系统性和针对性。试验表明，在地震作用下，地基与结构之间存在很强的动力相互作用。对地震作用下土一桩一结构动力相互作用进行数值模拟研究具有重要的学术

2、意义和工程实用价值。作者对桩的震害特点、破坏形式、桩一土一结构动力相互作用的分析方法等几个方面进行了系统地总结。地震作用下桩一土一结构动力相互作用是一个多学科交叉，多部门关注的复杂课题。针对不同的具体问题，一方面要改进与发展理论严密的精细分析方法，同时也要发展计算摸型简单、参数便于确定的实用性较强的简化分析方法，以满足不同工程的抗震设计要求。本文采用动力有限元分析方法，将研究体系简化为平面模型，重点研究了桩一士一结构动力相互作用体系的动力特性和基桩的抗震性能等，主要开展了如下工作：(1)选择适合桩一土一结构动力相互作

3、用分析的材料本构关系，研究了桩一土一结构动力相互作用体系二维有限元分析的一种实用方法。上部结构采用线弹性的本掏模型，下部土体采用等效非线性本构关系或基于Drucker—Prager屈服准则的弹塑性模型，确定了相应模型的矩阵及模型所需的相关参数。探讨了非线性动力方程的求解方法，单元的选取，土体边界的模拟方法，网格大小的划分，重力的考虑等。(2)进行了不同输入地震动、不同场地条件下桩士体系的地震反应分析及地震作用下桩土体系的参数敏感性分析；探讨了在地震作用下考虑士体弹塑性时桩土体体系的动力相互作用。既使在相同地质条件、相

4、同地震动加速度峰值的条件下，如果输入地震波的波形不同，得到的桩土体系的地震反应也不同，并对放大倍数或高频过滤产生影响。桩土体系上部土体的剐度越大，桩身的水平位移、加速度越小，但对较深处桩的位移和加速度的影响较小。调整相应的模型参数进行多因素敏感性分析，得到桩土模量比对桩项水平位移及桩身最大弯矩的影响最大，地震动的输入水平次之、桩的长径比影响较小。在土体基本弹性参数不变时，考虑土体弹塑性后，桩身的水平相对位移、加速度和剪力均可能减小：在水平地震作用下，单层土体的破坏表现为剪切型特性，而多层土体武汉理_[大学硕士学位论文

5、中多呈现弯剪型特性；桩身的存在．一般会大大减小桩周土的位移和加速度。(3)在桩一土一结构动力相互作用分析中，重点研究了土体液化前后对基桩动力响应的影响。随着土体液化深度的加深，体系的自振周期随之增大，桩的最大水平位移相应增大，桩顶处的剪力和弯矩也增大；而且士体液化可能会引起第一个软硬土层分界面处的剪力和弯矩的很大的增幅。同时研究了桩周土及桩间距对桩基地震反应的影响。桩身的最大水平位移发生在桩顶处：当软土厚度较小时，桩顶的内力较大；当软土厚度较大时，软硬土层分界面处的内力较大；桩间距(或桩数)的变化会引起软硬土层分界处

6、内力的较明显变化。同时探讨了上部结构刚度的改变对基桩抗震性能的影响；随着上部结构刚度的增大，体系的自振周期减小．桩的最大水平位移相应增大，桩顶处的最大剪力和最大弯矩增大，同时也引起第一个软硬土层分界面处桩身最大剪力和最大弯矩的较明显的增大。调整桩一土一结构体系的模型参数进行了多因素敏感性分析，得到三个凶素动力敏感性的次序依次为：B(桩土模量比)、c(地震动的输入水平)、A(桩的长径比)。还研究了双向地震作用下并考虑土体弹塑性情形时桩一土一结构的动力相互作用。发现不同楼层的层问位移、柱的剪力和轴力等的折减系数并不相同，

7、沿楼层的变化也没有规律，有时甚至对有的楼层不是折减面是放大。规范中只采用单一的折减系数是不太合理的。在抗震结构设计中，不仅应注意桩顶与筏板的锚固及构造上的配筋，而且还应特别注意在土层第一个软硬交界面处对基桩截面的抗弯和抗剪钢筋的配置进行加强，以防此处在地震时受弯剪破坏。关键词：桩一士一结构；动力相互作用；数值模拟：时程分析；地震响应；弹塑性II武汉理工大学硕士学位论文AbstractPilefoundationhasbeenusedtoconsolidatesoftgroundforalonghistory，andi

8、tisalsoonepopularmeanstobeusedtoimprovefoundationtoday．Manypilefoundationsweredamagedseriouslyduringthepastmajorearthquakes．Largeamountofcosthavebeenpaidfortheremedyofpilefo