考虑竖向荷载的Timoshenko模型桩水平振动响应解析解

考虑饱和土应力和位移沿深度的变化,将桩基等效为Timoshenko模型,对饱和土中竖向荷载作用下的端承桩水平振动响应进行了理论研究。基于Biot动力固结理论,通过引入势函数解耦土体方程。利用Laplace变换和分离变量法求得桩周土体频域响应解析解。考虑桩基的剪切变形和转动惯性效应,结合桩土接触连续性条件,得到桩体位移和桩顶动力复阻抗频域解析解。通过数值算例,比较了竖向荷载作用下Euler-Bernoulli模型与Timoshenko模型桩顶振动特性;并研究了长径比和竖向荷载对桩顶动力复阻抗的影响。结果表明:采用Euler-Bernoulli模型计算桩顶动力复阻抗偏于危险;长径比增大到临界值后,长径比对桩顶动力复阻抗影响较小;竖向荷载导致桩顶动力复阻抗突然降低,对桩基承载能力有不可忽视的影响。     

基于地层结构效应的竖向受荷桩与地层共同作用研究

在竖向受荷桩基础中也存在地层结构效应;桩侧阻与端阻的协同工作其实就是桩侧地层与桩端地层的协同工作;分析了两种典型地层结构情形下竖向受荷桩与地层的共同作用。     

Pasternak地基中H(t)-V受荷桩水平响应有限杆单元法分析

为探讨桩顶水平动荷载H（t）与竖向荷载V联合作用下桩基的水平响应,基于 Pasternak地基和Euler梁理论,建立了桩-土相互作用水平振动分析模型,采用改进的有限杆单元方法求解考虑P-Δ效应、土体剪切效应影响的综合刚度矩阵方程,结合桩土连续边界条件得到桩身内力与位移解答.通过与已有解析解、有限元解和模型试验的结果比较,验证了计算方法的合理性.最后,对影响桩身内力与位移的主要因素进行分析.结果表明：1）传统Winkler地基相较于Pasternak地基模型,忽略了地基土体的剪切效应,将夸大桩体结构的实际受力,使得计算得到的桩身水平位移和弯矩均大于Pasternak地基所得结果,且随着桩土弹模比Ep/Es的降低,两种地基模型计算的桩身最大水平位移和弯矩的差异性呈现出增强趋势;2） 随着桩顶竖向荷载的增加,桩身水平位移和弯矩受P-Δ效应的影响显著.当桩顶竖向荷载特征参数λ由0增至2时,桩身最大水平位移和弯矩分别提高40.85%和78.57%;3） 相较无限长桩（L>20dp）,有限长桩的水平位移和弯矩的动力响应受桩身长径比L/dp影响更大;桩身最大水平位移和弯矩随着水平简谐荷载幅值H0的增加而增大,随着无量纲频率a0的增大而减小.     

桩-承台竖向强迫振动试验和分析

采用横观各向同性 (TI)层状弹性模型来模拟半空间上的层状场地 ,计算中忽略土体水平位移对竖向位移的影响 .用常系数阻尼器代替半空间 ,以吸收上部场地传至下边界的振动能量 .利用薄层元素法和子结构法建立运动方程 .在推导过程中 ,先利用格林公式算得自由场地刚度矩阵 ,再与桩单元刚度矩阵拼装得到桩的竖向总刚度矩阵 ,在此基础上推出单桩 -承台及双桩 -承台体系在垂直简谐荷载作用下的阻抗函数 ,其中双桩的阻抗函数考虑了桩 -土 -桩的动力相互作用的影响 .利用牛顿第二定律推导出这 2种体系在竖向强迫振动下的响应公式 .利用某次桩基动力试验所得的土参数和激振器数据 ,分别计算出这 2种体系的第一共振频率及频响曲线 ,并将计算结果与试验结果进行比较 .     

竖向振动荷载作用下的单桩动力性能分析

在结构物基桩中,常会遇到单桩受竖向振动荷载作用的情况,该文通过对在竖向振动荷载作用下单桩动力性能的研究,探讨了桩断面剪切变形效应和转动惯性力对单桩动力稳定性的影响,考虑到实际工程存在的阻尼问题,因而进一步探讨桩土阻尼对单桩动力性能的影响,并以实例说明何种情况需考虑上述影响因素,以供实际工程应用时参考。     

矩形浮桩在竖向P波地震激励下的动力响应

基于桩-土动力相互作用,研究了矩形桩在竖向P波地震激励下的动力响应.将桩下支撑土体简化为虚土桩,桩-土系统位移假定为由沿桩轴线的轴向位移函数和水平方向的2个衰减函数组成.在求得自由场的位移后,运用Hamilton原理得出桩体和虚土桩位移函数及2个衰减函数的控制方程和边界条件.采用一个迭代程序对位移和衰减函数解耦并求解.最后,对桩纵向振动特性和桩周土的动力反应特性进行了无量纲参数分析,发现矩形桩在竖向P波激励下的响应明显不同于圆桩.     

大直径桩在三维黏弹性土体中瞬态振动数值计算

为了更加深入地进行桩基低应变数值模拟计算,文章将桩土均视为黏弹性体,建立了三维条件下桩-土系统瞬态振动计算模型;利用交错网格有限差分法求解三维黏弹性波动方程,引入吸收边界,得到了完整桩在瞬态竖向激振力作用下的动力响应;通过对比不同黏弹性参数作用时三维(3D)条件下桩顶振动速度响应,对桩土黏弹性参数进行了分析;对桩顶不同拾振位置曲线进行模拟,求得了黏弹性条件下大直径桩的最佳拾振位置,直观地反映了波在桩中的传播特点,对工程实践具有一定的指导意义。     

地铁列车作用下不同无砟轨道结构振动响应

建立了单趾弹簧扣件、弹性支承块式、橡胶浮置板式3种无砟轨道的空间振动分析模型和地铁列车-无砟轨道系统空间振动分析方程.分别计算了3种无砟轨道在地铁列车荷载作用下的空间振动响应,并比较了系统响应随无砟轨道类型及车速的变化规律.结果表明,系统振动响应随车速的提高而增大;在车速相同的条件下,无砟轨道类型对钢轨竖向位移、轨道板竖向位移、轨道板竖向加速度、轮轨竖向力、脱轨系数及轮重减载率等响应影响较大,对其他振动响应的影响不甚明显;橡胶浮置板式轨道的竖向位移、横向位移与轨距扩大值最大;单趾弹簧扣件轨道轮轨作用力最大,橡胶浮置板轨道轮轨作用力最小;支承块和浮置板振动加速度明显小于钢轨振动加速度;在3种轨道行驶条件下,随着车速提高列车脱轨系数和轮重减载率均增大,竖向振动加速度最大值、横向振动加速度最大值、Sperling竖向舒适度指标和Sperling横向舒适度指标大致呈现先增大后减小趋势.当地铁列车在80km/h以下的运行速度通过这3种轨道结构时,列车的安全性和舒适性均能得到保证.     

起伏地形上的铁路环境振动特性研究

越来越多的高速铁路修建在场地条件复杂的山区起伏地带,为了研究起伏地形对铁路环境振动的影响,本文建立了列车作用下路基-起伏地形的二维有限元计算模型,研究了四种起伏地形上的铁路环境振动特性。结果表明：四种起伏地形对地面加速度都存在减小效应;连续凸起地形上的竖向、水平振动位移均出现放大效应,而连续凹陷地形上的竖向、水平振动位移均出现减小效应;在凸起地形与凹陷地形组合的起伏地形上,凸起地形部分水平振动位移出现了明显的放大效应,凹陷部分水平振动位移又出现了明显的减小效应;先凸后凹地形对铁路环境振动的减弱作用比先凹后凸地形更明显。     

起伏地形上的铁路环境振动特性

越来越多的高速铁路修建在场地条件复杂的山区起伏地带,为了研究起伏地形对铁路环境振动的影响,建立了列车作用下路基-起伏地形的二维有限元计算模型,研究了4种起伏地形上的铁路环境振动特性。结果表明:4种起伏地形对地面加速度都存在减小效应;连续凸起地形上的竖向、水平振动位移均出现放大效应,而连续凹陷地形上的竖向、水平振动位移均出现减小效应;在凸起地形与凹陷地形组合的起伏地形上,凸起地形部分水平振动位移出现了明显的放大效应,凹陷部分水平振动位移又出现了明显的减小效应;先凸后凹地形对铁路环境振动的减弱作用比先凹后凸地形更明显。     

短峰波作用下饱和海床中的单桩响应分析

采用准静态三维数值分析方法直接模拟短峰波作用于海床表面与桩身的三维波压力分布,在考虑了海床土体的流固耦合和桩土界面的接触特征的基础上,研究了短峰波荷载作用下饱和砂质海床中的单桩响应问题.根据数值分析结果,研究了波浪荷载作用下土体的孔压变化规律、桩柱的位移和弯矩分布情况,探讨了桩土接触面不同处理方式的影响,并与自由海床和完全埋置单桩的模型结果进行比较.结果表明:泥线附近与桩端处土体的响应局部现象明显;采用桩土耦合模型时,孔压与弯矩响应相比于接触面模型有放大效应,而位移响应则正好相反.完全埋置桩在波浪作用下的响应主要受海床影响,在桩柱伸出海面的模型中,波浪荷载在桩柱上的影响起主导作用.     

地面位移对斜桩基础的负面效应

本文通过有限元方法和简化算例分析了带斜桩的群桩工作特点,计算分三种情况:(1)群桩只承受竖向和水平的荷载,没有地面位移;(2)群桩承受竖向和水平荷载作用的同时,还承受水平地面位移;(3)群桩承受竖向和水平荷载作用的同时,还承受竖向地面位移。计算结果表明:当地面发生水平或竖向位移时,设置斜桩对群桩承载能力有一些不利影响。     

竖向荷载对陡岩墩式码头梅花形五桩双向承载特性影响研究

针对竖向荷载变化下的陡岩群桩(梅花形五桩)双向承载工况,采用ABAQUS有限元软件,建模过程考虑陡岩群桩基础施工承载等环节,以及软岩与桩接触非线性影响,构建陡岩梅花形五桩三维模型,计算分析竖向荷载对陡岩墩式码头梅花形五桩双向承载特性的影响.研究表明,竖向荷载对陡岩墩式码头梅花形五桩双向承载特性的影响,与群桩基础的空间效应、群桩桩身嵌固程度、桩前岩体抗力等综合作用相关.其中,R=0°～15°,随着竖向作用力的增加,承台下各桩桩顶的水平位移得到一定的抑制;但竖向作用力过大,承台下各桩桩顶的水平位移会随着其增加而增大;R=30°～45°,竖向作用力对各桩桩顶水平位移的抑制作用不明显,其桩顶水平位移呈缓变-陡增的趋势.R=0°～45°的梅花形五桩,其前排桩竖向承载发挥程度较后排桩大.R=15°～45°,其后排桩水平承载发挥程度较前排桩大.在实际工程中,可根据受力过程中群桩基础力学响应变化等,进行相应加强设计.     

土-桩-结构非线性相互作用体系行波效应

采用并行计算方法,分别选取长周期地震波和普通地震波作为输入,以某典型桥梁工程为背景建立土桩桥梁结构非线性相互作用分析模型,对在不同类型地震波作用下的土桩结构非线性相互作用体系进行了行波效应分析,探讨了桩土接触效应和并行计算加速比等问题.分析结果表明:接触面效应对群桩水平向地震反应的影响较小,在竖直向则会产生明显的不协调现象.考虑接触面效应时,行波输入下的结构水平向加速度反应略小于一致输入,竖向加速度反应则远大于一致输入,水平向和竖向的位移反应也较大.长周期地震动行波输入下的水平向加速度和位移反应结果均大于普通地震波.对于此类大计算量三维有限元分析,采用并行计算方法可以有效提高计算效率.     

考虑桩土效应的高铁大跨度系杆拱桥地震响应分析

研究了考虑桩土效应的高铁大跨度系杆拱桥地震响应问题.以徐州至盐城客运专线上的钢管混凝土系杆拱桥为工程背景,通过有限元软件Midas/Civil分别建立了考虑桩土效应和不考虑桩土效应两种情形下的全桥有限元模型,选用50年超越概率为10%的反应谱方法对桥梁结构进行地震响应分析.研究结果表明:考虑桩土效应模型与基础固结模型相比,结构的自振周期延长,且对高阶振型影响显著.结构各部分的位移响应受边界条件的影响,增幅并不明显.由于该桥横向刚度相对较小,横向地震反应比纵向地震反应大,在抗震设计时应该着重考虑.通过反应谱分析表明:竖向地震的影响不可忽略,桩土效应对结构存在一定的影响.     

非饱和土中部分埋入桩的竖向振动

基于三相多孔介质波动方程,考虑孔隙中水和空气两种不相混溶流体间的耦合效应,通过算子分解和分离变量法,在求得轴对称条件下非饱和自由场波动域解答的基础上,结合上下区域的连续性条件以及桩端Winkler弹性支承假定,通过求解桩的振动微分方程,对部分埋入弹性支承桩在竖向稳态谐振作用下的频域响应进行了理论推导,获得了桩顶阻抗函数的封闭解.通过对比饱和条件下完全埋入桩的桩顶复阻抗曲线,发现该退化解与已有的边界元法和虚拟桩法的结果基本吻合,验证了解答的正确性.参数分析结果表明:桩顶复刚度随自由段桩长的增加而大幅降低,孔隙水的参与作用仅在接近完全饱和时才得以发挥,而饱和度和土底反力系数的影响较为有限.     

多维地震作用下高柔结构的地震响应

研究了水平、摇摆和竖向地震动耦合作用下高柔结构的地震响应.推导了水平、摇摆和竖向地震动耦合作用下的动力方程,方程中考虑了摇摆地震动导致的基础转角位移产生的附加重力二阶效应,并探讨了竖向地震作用对重力二阶效应的影响.以某210 m高的电视塔结构为原型,进行了水平、摇摆和竖向地震动耦合作用下的缩尺模型振动台试验.理论与试验结果对比表明:振动台试验结果与推导的动力方程理论分析结果基本吻合,验证了理论分析的合理性和准确性;竖向地震动不仅会引起常规的重力二阶效应的变化,对摇摆倾斜位移引起的附加重力二阶效应也有较大的影响;在水平、摇摆和竖向地震动耦合作用下,结构的动力响应与单一的水平地震作用相比,不仅几何刚度随时间变化,而且会导致较大的不对称的位移响应,使得原本满足水平地震作用下抗震需求的结构可能发生破坏甚至倒塌.     

水平往复荷载下FRPC桩与砂土的相互作用宏微观机理

为了研究水平往复荷载作用下FRPC桩与砂土的相互作用宏微观机理,采用粒子图像测速技术,利用自行设计的水平往复桩模型试验系统,对埋入砂土中的FRPC桩施加水平往复荷载.测试加载过程中,利用CCD高速工业相机拍摄桩周砂土的变形情况,分析砂土与FRPC桩的微观相互作用机理.使用DH3816应变仪采集桩身应变,得到弯矩沿桩身的分布情况.试验结果表明:随着荷载的增加,桩身弯矩和桩周砂土的总位移、水平位移、竖向位移均增大,砂土受FRPC桩影响,两端的总位移和水平位移最大,竖向位移沿桩身从上向下增大;最大荷载作用下,桩身出现裂纹,且破坏位置距砂土表面0.245 m,此处的桩身弯矩最大;水平往复荷载下,FRPC桩绕中心区域转动,对砂土的扰动主要发生桩的两端.     

桩土与结构相互作用效应的卵形消化池三维有限元静动力分析

为全面掌握卵形消化池这种特殊大型结构的受力特点以指导实践,利用ANSYS软件对卵形消化池进行三维有限元静动力分析．计算了卵形消化池在各种荷载工况下的池体变形特点和池壁内力分布情况,分析了地震作用下结构的动态固有特性和动力响应,并采用二步分析法计算考虑桩土与结构相互作用效应的卵形消化池地震响应．结果表明：预应力卵形消化池是一种受力合理的结构形式;空池状态和温度作用下的正常使用状态是两种最不利荷载组合情况：地震作用下池体水平位移随高度逐渐增大;不同方向上池壁内力呈规律变化;考虑桩土与结构相互作用效应的卵形消化池地震响应小于不考虑桩土与结构相互作用效应的卵形消化池地震响应．     

双向循环荷载下的单桩基础累积侧向位移

针对软黏土地基中单桩基础在竖向和水平循环荷载下的累积侧向变形问题,建立基于双向循环受荷的软黏土刚度衰减模型.利用有限元软件Abaqus进行二次开发实现刚度衰减,通过数值模拟分析竖向和水平循环荷载耦合作用下单桩基础的累积侧向位移.结果表明,水平和竖向循环荷载耦合作用下,桩顶侧向位移相比于只受水平循环荷载时更大;存在最小水平循环荷载比,当水平循环荷载比小于该值时,桩基不会产生侧向位移累积;竖向循环荷载对桩基累积侧向变形的影响存在一临界值,小于该值时,对桩顶侧向位移的影响很小.