考慮土體液化全過程的橋梁樁基抗震分析簡化方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于巖土工程和基礎(chǔ)工程【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種地震工程領(lǐng)域的考慮土體液化全過程的橋梁樁基抗震分析簡化方法。該方法通過構(gòu)建很好地考慮砂土液化對樁-土地震相互作用土彈簧的影響、用于實現(xiàn)樁-土地震相互作用過程的液化場地樁-土地震相互作用宏單元模型，給出了模型計算參數(shù)的合理確定方法與具體表達(dá)式；接著，基于非線性文克爾地基梁模型，采用構(gòu)建的宏單元模型，考慮樁周參振土的質(zhì)量慣性力、上部結(jié)構(gòu)的慣性力、土的輻射阻尼等效應(yīng)，建立了液化場地樁-土-橋梁結(jié)構(gòu)地震相互作用簡化分析模型，將實施自由液化場地動力分析得到的土層位移和孔壓比時程作為數(shù)值模型外部輸入，用于液化場地樁-土地震相互作用問題分析，為實際液化場地橋梁樁基抗震設(shè)計提供一種新的分析方法。
【專利說明】考慮土體液化全過程的橋梁粧基抗震分析簡化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種巖土工程領(lǐng)域的用于考慮考慮土體液化全過程的橋梁樁基抗震分析簡化方法。

【背景技術(shù)】
[0002]模型試驗作為評價液化場地橋梁樁基抗震性能的重要手段，因其自身存在的局限性而不能被廣泛應(yīng)用。目前，有限元、有限差分法等精確的數(shù)值方法已成為液化場地橋梁樁基地震反應(yīng)與抗震分析的重要方法。但是，這些數(shù)值方法因其計算參數(shù)選取難、數(shù)值建模的復(fù)雜性及計算結(jié)果的可靠性評估存在很大困難等，在實際工程中應(yīng)用受到很大局限，成為工程師的次要選擇。采用簡化方法進(jìn)行液化場地橋梁樁基抗震分析已成為工程設(shè)計人員的首選。但是，目前常規(guī)的ρ-y曲線方法有時不能較準(zhǔn)確地描述液化場地樁-土地震相互作用響應(yīng)，如土的孔壓增高引起土體軟化、土的輻射阻尼、樁側(cè)與土之間摩擦作用及樁土界面處可能出現(xiàn)的裂縫等。因此，有必要建立用于液化場地樁-土地震相互作用分析的宏單元模型，采用不同的子單元分別模擬樁-土地震相互作用過程中某一特定屬性，對各個子單元做適當(dāng)組合，構(gòu)建宏單元，然后將宏單元與結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的有限元模型結(jié)合，嵌入非線性文克爾地基梁方法中，發(fā)展用于液化場地橋梁樁基抗震分析的計算方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種用于考慮土體液化全過程的橋梁樁基抗震分析簡化方法，它可以高效地進(jìn)行液化場地樁基橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能的評價，有效地用于液化場地樁-土地震相互作用問題的分析。簡化方法包括三方面內(nèi)容，如下。
[0004](I)液化場地樁-土地震相互作用宏單元構(gòu)建
[0005]采用并聯(lián)彈簧-阻尼器模型，并考慮樁側(cè)土達(dá)到極限土反力后，模型可能出現(xiàn)的塑性滯后耗能，建立了樁-土地震相互作用宏單元，見圖1(a)。該宏單元由彈簧單元、阻尼單元和塑性單元組合而成，刻畫孔壓增長引起砂土的剛度衰減等特性。宏單元通過并聯(lián)阻尼模式表示土的粘彈性變形特性，實現(xiàn)土抗力和動力過程中土體能量的輻射，以及當(dāng)土的抗力達(dá)到其極限時樁的無限滑移，見圖1(b)。
[0006]液化場地樁-土相互作用剛度采用彈簧單元表示。砂土的彈簧參數(shù)直接采用基于砂土動力Ρ-y曲線骨干線建立的不同孔壓比下砂土 Ρ-y曲線簡化模型。通過上述途徑得到不同孔壓比下飽和砂土的Ρ-y曲線簇；根據(jù)孔壓比時程曲線，采用線性插值方法確定各個計算時刻孔壓比下砂土Ρ-y曲線。上覆的粘土層中彈簧單元的加載循環(huán)骨架曲線選為Welch和Reese推薦的循環(huán)荷載作用下水上硬粘土的Ρ-y曲線。取場地液化前、后砂土阻尼系數(shù)取為f?vs(P為砂土的密度，vs為砂土的剪切波速)，粘土輻射阻尼系數(shù)取為4 P vs。塑性單元采用土的極限土反力Pult控制。樁周塑性區(qū)內(nèi)土反力很大時，樁周土抵抗運(yùn)動產(chǎn)生的土反力隨著位移增大而保持不變，即土反力達(dá)到極限土反力時，土體將產(chǎn)生無限滑移。場地液化前、后砂土與粘土的極限土反力通過美國石油工程協(xié)會規(guī)范(API規(guī)范)推薦的方法得到。
[0007](2)液化場地樁-土地震相互作用簡化分析模型建立
[0008]基于Penzien模型，建立液化場地樁-土-橋梁結(jié)構(gòu)地震相互作用分析數(shù)值模型?；炯俣?(I)遠(yuǎn)離樁的地基視為自由場地，分為若干水平土層；(2)樁、上部結(jié)構(gòu)簡化為串聯(lián)剪切型質(zhì)點(diǎn)體系；(3)樁的質(zhì)量集中于不同土層界面上；(4)樁周土體與樁的振動相同，樁周土簡化為土的集中質(zhì)量體系，并附到樁的集中質(zhì)量體系之上；(5)自由場地與附加土體的樁之間采用上述構(gòu)建的宏單元實現(xiàn)地震相互作用；(6)上部結(jié)構(gòu)模擬為集中質(zhì)量點(diǎn)。據(jù)此，建立了液化場地樁-土地震相互作用分析數(shù)值模型。樁節(jié)點(diǎn)的集中質(zhì)量為樁周土的等價質(zhì)量與樁體自重的節(jié)點(diǎn)集中質(zhì)量之和。樁周土的等價質(zhì)量假定為被樁擠出的土體的質(zhì)量，擠出土體的體積視為樁的體積。
[0009](3)自由液化場地動力分析
[0010]考慮砂土水-土動力耦合效應(yīng)及土體液化效應(yīng)的非線性有限元分析程序?qū)嵤┧阶杂梢夯瘓龅赜行?yīng)力分析，計算得到沿埋深土層位移和孔壓比時程作為數(shù)值模型外部輸入到樁-土地震相互作用簡化分析模型。
[0011]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0012]通過彈簧單元、阻尼單元、塑性單元的合理組合，構(gòu)建了橋梁樁基抗震分析的宏單元模型，給出了模型計算參數(shù)的合理確定方法，特別融入了新建砂土 Ρ-y曲線簡化模型，很好考慮了砂土液化對樁-土地震相互作用土彈簧的影響；基于非線性文克爾地基梁模型，采用構(gòu)建的宏單元模型，考慮樁周參振土的質(zhì)量慣性力、上部結(jié)構(gòu)的慣性力、土的輻射阻尼等效應(yīng)，建立了液化場地樁-土-橋梁結(jié)構(gòu)地震相互作用簡化分析模型；實施自由液化場地動力分析，得到土層位移和孔壓比時程作為分析模型的外部輸入，實施液化場地樁-土地震相互作用分析，為實際橋梁樁基抗震設(shè)計提供一定參考。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明中涉及到的樁-土地震相互作用宏單元。

【具體實施方式】
[0014]本發(fā)明還給出了考慮土體液化全過程的橋梁樁基抗震分析簡化方法的實施步驟，如下:
[0015](I)通過實施了自由液化場地有效應(yīng)力時域分析，得到土層沿著埋深的位移時程和砂層孔壓比時程。
[0016](2)建立樁-土地震相互作用簡化分析模型。模型中，上部結(jié)構(gòu)模擬為集中質(zhì)量點(diǎn)，樁模擬為梁單元，樁的質(zhì)量集中到樁節(jié)點(diǎn)之上(不同土層界面上)，并將樁周參振土質(zhì)量附加到樁的節(jié)點(diǎn)(樁的集中質(zhì)量體系)之上，構(gòu)成樁的新集中質(zhì)量體系，其中參振質(zhì)量選取I倍樁徑的土柱質(zhì)量。自由場地與附加土體的樁之間采用上述構(gòu)建新的宏單元模型實現(xiàn)地震相互作用。
[0017](3)粘土計算參數(shù)基于API推薦的粘土 p-y曲線選取。場地液化過程中砂土計算參數(shù)選取建立考慮孔壓比對曲線影響的Ρ-y曲線簡化模型。砂土輻射阻尼系數(shù)取為Pvs，粘土輻射阻尼系數(shù)取為4 P vs。粘土、砂土的極限土反力選取于API規(guī)范。然后，將第一步中自由液化場地動力分析得到位移時程和砂層孔壓比時程施加到數(shù)值模型中，進(jìn)行液化場地樁-土地震相互作用分析。
[0018](4)通過上述樁-土地震相互作用分析，得到樁的地震反應(yīng)，包括加速度、彎矩時程等數(shù)據(jù)。
【權(quán)利要求】
1.一種考慮土體液化全過程的橋梁樁基抗震分析簡化方法，由三部分組成:(1)液化場地樁-土地震相互作用宏單元構(gòu)建；(2)液化場地樁-土地震相互作用簡化分析模型建立；(3)自由液化場地地震分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮土體液化全過程的橋梁樁基抗震分析簡化方法，其特征在于所述通過彈簧單元、阻尼單元、塑性單元的合理組合而構(gòu)建了液化場地樁-土地震相互作用分析的宏單元模型，并給出了模型計算參數(shù)的合理確定方法，特別考慮砂土液化對樁-土地震相互作用土彈簧的影響。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮土體液化全過程的橋梁樁基抗震分析簡化方法，其特征在于所述基于非線性文克爾地基梁理論，上部結(jié)構(gòu)模擬為集中質(zhì)量點(diǎn)，樁模擬為梁單元，樁的質(zhì)量集中到處于不同土層界面上的樁節(jié)點(diǎn)上，并將樁周參振土質(zhì)量附加到樁的節(jié)點(diǎn)之上，構(gòu)成樁的新集中質(zhì)量體系，其中參振質(zhì)量選取I倍樁徑的土柱質(zhì)量。自由場地與附加土體的樁之間采用上述構(gòu)建出的宏單元模型實現(xiàn)地震相互作用。
【文檔編號】G06F17/50GK104462641SQ201410558711
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月20日
【發(fā)明者】唐亮, 凌賢長 申請人:唐亮, 凌賢長