强震下液化场地桥梁桩基屈曲失效特性分析

发布时间：2020-05-26 00:30

【摘要】：历次震害调查结果显示,土体液化造成桩基失效的主要模式有弯曲失效、沉降破坏和屈曲失效。关于液化场地桩基的弯曲失效和沉降破坏问题,国内外学者已经开展了大量的研究工作并颁布了多项抗震设计规范。然而,关于液化场地桩基屈曲失效机制的研究相对较少,且多集中于研究轴向荷载对桩基屈曲失效的影响,忽略了侧向荷载和轴向荷载耦合作用可能造成的桩基屈曲失效的问题。同时,世界范围内尚没有出现系统考虑液化场地桩基屈曲失效机制的规范。鉴于此,本文以液化场地嵌岩桩为研究对象,通过开展多重荷载解耦的振动台对照试验,揭示了液化场地桩基屈曲失效原因,提出了桩基屈曲临界荷载数值计算方法,发现了影响桩基地震反应的关键地震动参数,建立了易于工程应用的液化场地桩基屈曲失效判别方法。主要的研究内容、方法与认识如下:1.针对水平液化场地嵌岩桩,成功实施了多重荷载解耦的振动台对照试验。试验中,以轴向荷载为控制指标,对比研究了不同受力情况下桩基的失效情况,发现已有常用液化场地桩基屈曲临界荷载计算方法不能精准预测桩基的屈曲失效,证明了桩基的屈曲失效是由轴向荷载和侧向荷载共同作用引起的。2.基于非线性温克尔地基梁法,建立了同时考虑土体液化效应、桩的初始几何缺陷和桩的非线性的液化场地桩基屈曲临界荷载数值计算方法。方法中,采用应变硬化型p-y曲线考虑土体液化效应,通过预设桩节点坐标的方式描述桩的初始几何缺陷,采用基于力的非线性梁柱单元模拟桩,引入基于有限位移理论的协同转动法考虑桩的几何非线性,利用桩头位移控制加载直接获得桩的轴向荷载-位移曲线,基于非线性屈曲分析理论取曲线极值点作为桩的屈曲临界荷载,并通过离心机试验和有限元方法验证了该方法的正确性。3.基于提出的液化场地桩基屈曲临界荷载数值计算方法,分析了土体相对密度、桩的初始几何缺陷、桩的抗弯刚度、柱墩高度等因素对桩基屈曲临界荷载的影响。随后,基于影响因素分析结果,通过融入欧拉屈曲临界荷载计算方法,提出了不同相对密度土体下,考虑土体液化效应的桩基屈曲失效判别方法,并通过离心机试验和振动台试验结果验证了该判别方法的有效性。4.基于有限元法,建立了液化场地桩基地震反应数值模型,并通过离心机试验结果验证了模型的正确性。随后,基于该数值模型,对比分析了近场地震动和远场地震动作用下桩基地震反应的异同,研究了地震动参数对桩-土-结构体系地震反应的影响。研究发现,近场地震动作用下桩基更容易发生破坏,地震峰值速度PGV是预测液化场地桩-土-结构体系地震反应最好的地震动参数,并提出了以PGV为控制变量的液化场地桩基峰值弯矩和峰值位移的估算方法。5.结合提出的液化场地桩基地震反应数值模拟方法和桩基屈曲临界荷载数值计算方法,发展了考虑惯性荷载的桩基屈曲临界荷载数值计算方法与屈曲失效判别方法。基于不同地震动、不同上部结构质量作用下桩基的屈曲失效情况,结合已提出的考虑土体液化效应的桩基屈曲失效判别公式,建立了以地震动峰值速度PGV为控制变量的考虑惯性荷载的液化场地桩基屈曲失效判别简化方法,并通过振动台试验结果对其正确性进行了检验。本文研究成果进一步加深了对液化场地桥梁桩基屈曲失效机理的认识。文中所完成的多重荷载解耦的振动台对照试验、提出的桩基屈曲临界荷载数值计算方法和桩基屈曲失效判别方法,对于客观认识桥梁桩基强震反应规律与失效机制,精准分析桥梁桩基竖向承载力,科学完善现行液化场地桥梁桩基抗震设计规范,有效实施强震下桥梁桩基抗震设计等,具有重要的理论和现实意义。
【图文】：

图 2-3 液化场地桩基有效长度计算方法Fig. 2-3 Concept of effective length of pile in liquefying ground此外，Bhattacharya[18]认为，当桩所受轴力大于 0.35 倍 PE时，长eff/rmin>50）的桩会发生屈曲破坏。其中，rmin为桩的极惯性矩，，按公定：minIrA （ I——桩截面的惯性矩（m4）；A ——桩截面的面积（m2）。考虑到在 1g 振动台试验过程中，桩顶可放置质量块的重量有限，大轴向荷载下发生屈曲失效，应尽可能的减小桩的刚度 EI，因此， 6061-T6 铝材料，其弹性模量为 6.9×104MPa，屈服强度为 276MPa为 310MPa。根据 Bond[127]的调查结果，工程中常用管桩的长度 L rmin之比一般在 71~284 范围内。因此，综合考虑试验采用的剪切振动台最大载重量、桩的屈曲临界荷载等因素，试验选用桩长 19

第 2 章 液化场地桥梁桩基屈曲失效振动台试验表 2-3 南京砂物理性质指标[128]Table 2-3 Properties of Nanjing sand[128]参数 数值比重 2.70最大孔隙比, emax1.15最小孔隙比, emin0.62平均粒径, D50(mm) 0.13不均匀系数, Cu2.31曲率系数, Cc1.07
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U441

【参考文献】

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本文编号：2680983