液化場地樁基橋梁抗震設計方法研究

近數(shù)十年來，由于地震引發(fā)的砂土液化所導致的橋梁結構損毀的震害在全球范圍內屢有報道，而我國橋梁眾多，且多數(shù)處于地震烈度較高的沿江沿海地區(qū)，存在大量可液化地帶，故而砂土液化對橋梁抗震安全性的影響不容忽視。國內外學者已經(jīng)對液化場地中土體液化機理和樁-土相互作用進行了大量的研究，但對于橋梁結構的抗震設計，研究成果還遠遠不夠。本項目的目標是考慮液化產(chǎn)生的地面大變形影響，揭示液化場地樁基橋梁的地震破壞機理，并建立抗震設計方法。圍繞這樣的研究目標，課題組采用理論分析結合試驗研究的方法開展了如下研究：首先，提出了可考慮液化土層局部剪切變形特性的二維場地、三維結構的多尺度有限元模型，并采用國外離心機試驗驗證了數(shù)值模型。在此基礎上，進行了液化場地樁基橋梁地震反應的參數(shù)敏感性分析。根據(jù)分析結果，選取高敏感性參數(shù)，進行了振動臺試驗的設計，通過試驗結果，揭示了液化場地樁基橋梁的地震破壞機理。而后，建立了能夠代表液化場地-樁基橋梁結構的單墩簡化模型，并進行大量的數(shù)值參數(shù)分析，總結地震反應規(guī)律，并提出了簡化的抗震設計方法。最后，依托實際工程，建立了場地-全橋的有限元模型，研究了橋梁結構各部件在液化場地的地震反應特性，數(shù)值結果與實際震害相吻合。本項目的研究成果可為我國橋梁抗震設計規(guī)范的改進提供有力的支持。 2100433B

土體液化導致的樁基橋梁地震震害非常常見。我國地震多發(fā)，而橋梁眾多的沿海地區(qū)地震烈度高，又存在大量可液化地帶，砂土液化對橋梁抗震安全性的影響不容忽視。國內外對液化場地中樁-土相互作用已經(jīng)進行了大量的研究，但對于橋梁的抗震設計，研究成果還遠遠不夠。本項目的目標是考慮液化產(chǎn)生的地面大變形影響，揭示液化場地樁基橋梁的地震破壞機理，并建立抗震設計方法。主要研究內容有：1) 考慮液化大變形，分析液化對樁基、橋梁上部結構地震反應的影響，總結液化場地樁基橋梁的地震反應特性； 2）考慮液化大變形，進行液化場地樁基橋梁單墩模型振動臺試驗，研究樁基地震破壞機理并驗證理論計算模型；3）解決液化場地樁土慣性相互作用和幾何相互作用的簡化計算及組合方法，建立液化場地樁基橋梁地震反應的簡化分析方法；4）進行液化場地樁基橋墩系統(tǒng)Pushover分析，研究地震破壞機理以及地震變形能力，提出液化場地樁基橋梁的抗震驗算指標。

基于我國液化側擴流場地樁基橋梁抗震設計的應用需求，密切此項研究的國際前沿技術與最新進展，直接針對樁基簡支橋梁結構與液化側擴流場地條件，并以延性抗震能力研究較充分的鋼筋混凝土樁基－柱式橋墩為研究對象，采用試驗方法、理論分析、數(shù)值模擬與震害調查相結合的研究手段，立足于場地液化側擴流造成橋梁樁基破壞的震害事實，著眼于從分析樁－土－橋梁結構強震相互作用入手，注重于研究樁基強震反應的基本規(guī)律、樁－土強震相互作用的物理過程與力學機制、樁－土運動相互作用與慣性相互作用對樁基抗震性能的重要影響，致力于提出便于推廣、易于數(shù)值實現(xiàn)的液化側擴流場地橋梁樁基強震反應與穩(wěn)定性分析方法，初步建立液化側擴流場地橋梁樁基抗震設計的簡化分析方法（對我國現(xiàn)行規(guī)范中液化側擴流場地橋梁樁基抗震設計方法提出初步的改進建議）。有利于進一步提高我國橋梁工程抗震基礎研究的創(chuàng)新能力，并逐步實現(xiàn)對橋梁工程震害與抗震研究的重點跨越與理論升華。

地震中液化引發(fā)場地側擴流是導致樁基震害的主要原因之一。振動臺試驗是研究液化側擴流場地樁－土動力相互作用最有效的途徑之一。數(shù)值計算是振動臺試驗的有力補充，同時也是將理論研究工作拓展到實際工程的必要技術環(huán)節(jié)。鑒于此，本項目針對地震下液化側擴流場地樁－土相互作用體系，通過大型樁基振動臺試驗和理論分析相結合的方法，建立了液化側擴流場地樁－土動力相互作用有限元數(shù)值計算模型和簡化分析方法。同時，基于典型液化側擴流場地樁－土－上部結構體系分析模型，獲取了樁－土相互作用荷載傳遞規(guī)律。最后，基于現(xiàn)有設計方法，提出了液化側擴流場地樁基抗震設計方法，并驗證了設計方法的有效性。具體研究內容、方法及成果如下： (1) 液化側擴流場地樁基振動臺模型試驗。針對典型近岸液化側擴流場地特點，借鑒同類振動臺試驗設計經(jīng)驗，完成了液化側擴流場地樁基振動臺試驗，并對液化側擴流場地土層孔壓、加速度和側向位移及樁的側向位移和彎矩響應進行系統(tǒng)分析。 (2) 液化側擴流場地樁基振動臺模型試驗有限元數(shù)值模擬。針對樁基振動臺試驗，利用初始狀態(tài)分析法，通過施加節(jié)點孔壓和相應節(jié)點荷載模擬自由水體，建立了液化側擴流場地樁基振動臺數(shù)值模型，并基于振動臺試驗結果對數(shù)值模型的可靠性進行驗證。 (3) 液化側擴流場地樁－土相互作用簡化分析方法。針對樁基振動臺試驗，基于非線性Winkler地基梁模型，建立了液化側擴流場地樁－土相互作用簡化分析方法，基于試驗結果對簡化分析方法的可靠性進行驗證并進行了參數(shù)分析。 (4) 液化側擴流場地樁－土相互作用荷載傳遞模型。建立了典型的液化側擴流場地樁基地震響應荷載傳遞模型，分析了樁土荷載傳遞規(guī)律。 (5) 液化側擴流場地樁基抗震設計方法。提出基于位移的文克爾地基梁等效靜力設計方法，給出了該方法的一般步驟，并依據(jù)動力非線性有限元分析對該設計方法進行了驗證，最后給出了該方法進行液化側擴流場地樁基設計的使用實例。 2100433B

本項目以可液化地基中樁基礎為研究對象，針對具有上部結構-樁基-地基系統(tǒng)的“三維化、非線性、大系統(tǒng)”的鮮明特征，揭示其動力相互作用規(guī)律與破損機理。以離心模型試驗和數(shù)值仿真為主要研究手段，著重探討地震條件下可液化地基中上部結構-樁-地基共同工作機理以及樁基礎受力變形的基本規(guī)律、影響因素和物理機制，提出可液化地基中樁基礎受力和變形計算分析方法。 （一）系統(tǒng)全面地調研整理了國內外相關的文獻資料。通過總結分析，充分反映了目前國際上對可液化地基中樁基礎抗震問題的認識水平，明確了目前各種方法中的問題。 （二）開發(fā)了可液化地基中樁基礎動力離心模型試驗系統(tǒng)并進行系列試驗：在清華大學50g-t土工離心模型試驗機和振動臺上，開發(fā)了可模擬地震條件下可液化地基樁基礎的離心模型試驗及測量技術。完成了8組離心模型試驗重點研究不同地基條件、上部結構對樁體所受水平荷載和彎矩大小和分布的影響，揭示了簡單條件下可液化地基中樁基礎的動力學響應規(guī)律。 （三）發(fā)展了針對砂土液化問題的三維化、非線性動力數(shù)值仿真理論及技術。建立了三維砂土液化后大變形統(tǒng)一本構模型，實現(xiàn)了對砂土液化后大變形問題的三維統(tǒng)一描述。采用高效數(shù)值算法，在開源OpenSEES非線性有限元軟件平臺上對模型進行了數(shù)值化，并實現(xiàn)了模型的并行計算。 （四）建立了成套的可液化地基中樁基礎受力和變形計算分析方法：包括三維動力數(shù)值仿真技術在內，建立了可完整評價可液化地基中樁基礎在地震過程中和震后水平和豎向受力與變形的計算分析方法，真正的發(fā)展了多尺度多層次精細數(shù)值仿真理論及技術，為樁基礎安全調控和優(yōu)化設計提供了理論及方法。 （五）揭示了可液化地基中樁基礎動力響應規(guī)律。在總結試驗規(guī)律的基礎上，利用三維條件下樁基礎大規(guī)模數(shù)值仿真技術和其他靜動力計算方法，對可液化地基中樁基礎在地震過程中和震后的受力和變形規(guī)律進行了全過程分析和總結。 2100433B