高烈度地震区PHC管桩-土-结构相互作用振动台试验

高烈度地震区PHC管桩-土-结构相互作用振动台试验论文概要一、课题背景及文献综述二、振动台试验介绍三、振动台试验结果及分析四、试验模型有限元计算与试验结果对照分析五、结论一、课题背景研究背景及意义课题提出及研究意义研究内容与思路1、研究背景及意义土-桩-结构相互作用（SSPSI）地震荷载作用下，土-桩-结构作为一个整体振动相互影响带来不利影响结构动力特性改变：自振周期延长、振型改变、阻尼改变结构的地震反应改变地基运动特性改变：接近结构自振频率的分量放大土-桩-结构相互作用示意图2、桩基础在地震中的破坏相对来说，桩基础是抗震性能较好的一种基础形式，是预防地基失效的重要抗震措施：在非液化地基中，桩基能减少基础附加沉降、减轻震害；即使在液化地基中，只要桩尖深入持力层，也能减轻震害。桩基础主要破坏形式：桩与承台连接处软弱土层液化处土层软硬层交界处3、PHC管桩特点即预应力高强混凝土桩，采用先张法，经过离心脱水预制而成优点：桩身强度和承载力高，价格便宜桩身耐打，穿透能力强沉桩速度快，功效高，工期短缺点由于研究资料少，《建筑桩基技术规范》规定抗震设防烈度为8度及以上地区，不宜采用预应力混凝土管桩（PC）和预应力混凝土空心方桩（PS）。我国又是个多地震的国家，有大量的国土面积位于8度及以上的高烈度区域，在这些广大地区，如果不能使用各方面性能、优点都很突出的PHC管桩，将是社会财富的一大损失，由此引出本文课题，对PHC管桩在地震荷载作用下土-桩-结构的相互作用（SSPSI）进行一定的研究，并对其在高烈度地区的使用效果进行一些探索。4、课题提出及研究意义5、研究思路及研究内容首先，查阅大量文献，总结了关于土-桩-结构相互作用的理论分析方法及试验方法。其次，设计PHC管桩-土-上部结构相互作用体系的振动台试验。试验从实际情况出发，尽量充分地考虑了模型与原型的相似模拟。然后，根据振动台模型试验采集的数据，详细分析了相互作用体系的地震反应规律。最后，利用有限元程序ABAQUS对土-桩-结构动力相互作用体系进行了计算分析，通过与振动台试验结构对比分析，验证了有限元计算模型的合理性和振动试验采集结果的可靠性。二、试验介绍1、振动台选择2、模型土箱设计3、模型材料及相关参数设计4、测点设计布置5、激励地震波选择振动台试验于2011年10月在同济大学土木防灾国家重点实验室振动试验室进行，该振动台最大承载重量为25T。模型土箱采用同济大学现有层状剪切模型箱，其外形尺寸为2100×1700mm×2040mm（长×宽×高）。1、设备选择桩采用有机玻璃管制作管桩模型，确定基本长度相似比为1:15。承台根据相似比设计三个试件承台，均采用微粒混凝土（灌浆料）浇筑而成，上部结构实际为多层厂房，根据力的相似比，简化为高度为1500mm的实心钢柱。土体确保各层土容重、含水率、孔隙比等物理指标的相似性。2、模型材料及相似关系试验采用加速度计、位移计测量测承台、桩体以及土体的动力响应，采用应变片量测桩体的应变变化，采用孔隙水压力计测量土体孔隙水压力，采用土压力计测定桩土间压力。3、测点布置4、加载机制-地震波选择1、选用了ELCentro波、Taft波、以及人工波作为激励波形，采用单向即X向激励2、地震波峰值调整输入前需对上述地震记录进行调整。包括地震加速度振幅的缩放和按相似关系调整加速度峰值和时间间隔。三、试验结果分析介绍从试验现象模型的动力特性加速度反应、桩身应变桩土接触压力总结归纳土-桩-结构相互作用振动台试验的相关规律。1、试验现象当输入地震波峰值较小时，上部结构、土体的振动也小，随着地震波峰值的提高，上部结构、土体的振动及体系的相互作用反应未必增加，但桩头的幅值会增加，桩头的时程应变也会增加。在地震波激励过程中，土体平均以每次0.5mm速度沉降。单桩试验结束后，上部结构沿振动方向倾斜5度，三桩略有倾斜，六桩几乎无倾斜。试验中当加速度峰值加大时，承台挤压土体导致土体与承台之间形成一条裂缝，单桩最明显，试验结束后达到2cm，三桩、六桩试验裂缝都很小，六桩仅有0.5cm。无论是单桩、三桩、还是六桩液化试验，在地震中发生液化时均有明显的析水现象，且在中震（0.573g）时最为明显。试验中均无因地震引起液化所产生的“冒砂”现象。模型自振特性随着地震波峰值的提高，体系自振频率逐步减小，阻尼比逐步增大，最后有趋于稳定。这是由于振动作用使土体逐渐变得疏松，出现软化现象，刚度逐步下降造成的。因此在地震波激励下，土体孔压比上升，土的动剪切强度下降，土的阻尼比增加，土体表现出显著的非线性特征。工况1工况5工况9工况13工况17工况21频率HZ阻尼比%频率HZ阻尼比%频率HZ阻尼比%频率HZ阻尼比%频率HZ阻尼比%频率HZ阻尼比%土体7.237.536.938.056.939.446.3311.16.038.726.0314.4桩-土7.237.556.938.026.939.436.3310.86.038.576.0314.7工况22工况26工况30工况34工况38工况42频率HZ阻尼比%频率HZ阻尼比%频率HZ阻尼比%频率HZ阻尼比%频率HZ阻尼比%频率HZ阻尼比%土体5.1211.24.8214.14.8213.54.2212.83.6214.43.6214.1桩-土5.1210.54.8214.14.8213.54.2212.83.6214.53.6214.7加速度反应主要研究在土-桩-结构中各测点加速度峰值放大系数、加速度时程曲线和其傅氏谱加速度放大系数地震波在向上传播过程中，有被放大（或缩小）的趋势，加速度峰值放大系数定义为垂直方向上各测点反应的加速度峰值与地震台输入地震波加速度峰值的比值。加速度时程曲线和其傅氏谱加速度时程及加速度时程曲线，傅氏谱及傅立叶频谱，即某段波形中各种频率出现的概率比2、加速度放大系数（1）中、大震（0.573g、1.123g）下的加速度放大系数明显小于小震（0.279g）下的放大系数。究其原因是随着输入振动强度的增加，土体非线性增强，土体传递振动的能力减弱。（2）土体传递振动的放大还是减震作用于土体性质、激励波类型、激励强度等因素有关。在本试验，各层土体一般都起起减震作用。（3）随着测点与模型想底部距离越大，土体的加速度峰值会逐渐减小，到达土体表面时会急剧放大，土体的加速度反应在高度上呈“K”字形分布。加速度放大系数图0.00.51.01.52.02.53.03.54.00.00.51.01.52.0加速度放大系数测点距离桩顶距离（mm）0.279g0.366g0.573g0.78g1.123g加速度频谱分析地震波从台面经由桩-土体系传到土体并向上部结构传递过程中，频谱特性发生了很大变化，在地震波激励下靠近土体的输入频率被放大，其他频率范围会减弱。D-TAB-El0.279FrequencyspectrumFrequency[Hz]6055504540353025201510500.0060.0050.0040.0030.0020.0010D-S3-El0.279FrequencyspectrumFrequency[Hz]6055504540353025201510500.0070.0060.0050.0040.0030.0020.0010D-S7-El0.279FrequencyspectrumFrequency[Hz]6055504540353025201510500.0140.0120.010.0080.0060.0040.0020D-A4-El0.279FrequencyspectrumFrequency[Hz]6055504540353025201510500.030.0250.020.0150.010.00503、桩身应变幅值单桩与三桩试验中应变幅值桩顶端出最大，沿着桩身往下逐渐衰减，在大震是粉土与沙土层桩身应变会有局部放大突变。六桩试验中桩的应变幅值最大处出现在离桩顶约10倍桩径处。随着输入地震波激励强度增加，桩身的应变反应增大。六桩振动方向布桩较密，六桩试验时桩的应变基本呈线性发展，这在六桩液化试验中尤其明显。桩身应变幅值图1400120010008006004002000050010001500200025003000桩身应变幅值（10-6）测点距桩顶距离（mm）0.279g0.366g0.573g0.78g1.123g1600140012001000800600400200005001000150020002500桩身应变幅值测点距桩顶距离（mm）0.279g0.366g0.573g0.780g1.123g单桩试验应变幅值图六桩试验应变幅值图4、桩土接触压力（1）无论是单桩、三桩还是六桩，随着加速度峰值的增加，桩土接触压力随振动强度的增大而增大。（2）非液化情况下，桩土接触压力呈现出上部大，下部小的趋势，其中单桩试验表现最为明显，这是因为在地震波作用激励下，桩的上部与土会产生一定脱离，而下部接触良好，三桩与六桩试验与单桩试验规律基本一致，但由于群桩效应，桩与土的脱离基本很小了。（3）液化试验时，桩体上部的砂土层发生液化，桩土接触压力急剧下降，桩体中部、下部的粉土、粘土层桩土界面压力明显增大，输入的振动强度越大，这种现象越明显。桩土接触压力图140012001000800600400200001020304050桩土接触压力幅值（kPa）测点距桩顶距离（mm）0.279g0.366g0.573g0.780g1.123g1400120010008006004002000010203040506070桩土接触压力幅值（kPa）测点距桩顶距离（mm）0.279g0.366g0.573g0.780g1.123g单桩液化试验桩土压力图单桩常规试验桩土压力图四、试验理论计算分析计算模拟的意义根据土-桩-结构相互作用振动台试验取得的实验数据，对振动台试验试验过程进行实体模型计算，实体模型计算可以验证理论分析方法和计算模型的可靠性，并由此确定模型的参数取值。而且通过实体模型计算还可以获得振动台试验中无法采集的相关数据，从而能更深层次研究地震荷载下土-桩-结构动力相互作用的规律。因此振动台模型试验和实体模型计算可以互相验证，互相补充。计算程序选用ABAQUS有限元计算程序加速度时程对比计算模拟与试验实测加速度时程曲线比较吻合，测点随时间的变化趋势基本保持一致。计算存在局部收敛问题，导致曲线时长不一样0246810121416-0.3-0.2-0.10.00.10.20.3Acceleration(g)Time(s)S7测点试验值0246810121416-0.3-0.2-0.10.00.10.20.3Acceleration(g)Time(s)S7测点计算值加速度放大系数加速度放大系数传动规律比较接近，但是上部结构计算值偏大，这是因为在计算时土体的非线性与试验时存在差别。05001000150020002500300035000.00.51.01.52.02.5加速度放大系数测点距底面距离（mm）模拟计算值试验实测值05001000150020002500300035000.00.51.01.52.0加速度放大系数测点距地面距离（mm）计算值试验值桩身应变幅值存在差异原因：计算模拟模拟未能有效考虑桩土之间的挤压与摩擦未能充分考虑土体非线性。14001200100080060040020000100200300400500600700桩身应变幅值（10-6）测点距桩顶距离（mm）试验值计算值140012001000800600400200005001000150020002500桩身应变幅值（10-6）测点距桩顶距离（mm）计算值试验值上部结构位移上部结构位移规律一致，但大震差异较大，原因是因为计算时对土体非线性考虑不足0500100015000246810上部结构位移峰值（mm）测点距承台表面距离（mm