液化场地桥梁桩基地震反应振动台试验与数值模拟

液化场地桥梁桩基地震反应振动台试验与数值模拟

现场污泥是桩基桥地震破坏的主要原因之一。考虑到桩-土-桥结构的相互作用，预测桩基桥地震反应具有重要意义。大型振动台试验是研究这一问题的有效手段之一。振动台试验和数值模拟的有机结合是正确理解这一问题的好途径。引起了国内外学者的关注，越来越受研究热点。基于大型振动台试验和数值模拟，本文对液化场地上桩基桥地震加速度的反应特征进行了研究。并在国家工程防御实验室完成了振动台试验。测试的细节如下。1数值模型的建立及验证基本假定:地基为水平产状,下伏基岩面为不透水边界且各点运动相同,上覆土层为各向同性均质体;地震由基岩垂直向上传播且以水平剪切为主;初始地下水为排水边界,而地震中可液化土层不排水.基于有效应力原理进行土动反应分析,采用满足Masing准则的修正双曲线模型描述土动变形本构关系,并考虑因孔压上升造成土体软化而对土动力性能的影响,由迭代法处理土的动力非线性.据LshiBashi&Sherif孔压发生经验公式且考虑地震不排水、循环剪应力作用,建立孔压增长模型.桩基模拟为弹性体且剖分为4节点梁单元,并由Desai平面应变简化模型将群桩等效为平面板桩.通过主-从位移关系且参照文献,并由Timoshenko梁理论在梁杆单刚中引入剪切变形影响系数,以考虑桩的尺寸效应.采用Goodman单元模拟桩-土界面.承台模拟为带有转动惯量和质量的刚体,柱墩模拟为弹性悬臂梁,上部桥梁结构模拟为质量块,桩与承台间以桩的抗弯刚度连接,柱墩与承台、质量块间以柱墩的抗弯刚度连接.采用等参四边形单元剖分地基,地基-土箱界面处理成并联弹簧-阻尼器边界,基底为固定边界.根据上述,并考虑桩和地基发生水平位移、竖向位移且桩伴随弯曲变形,承台和上部结构发生竖向位移、水平位移、转动角位移且柱墩伴随弯曲变形,以及各部分之间动力耦合作用,建立体系动力方程且由Wilson-θ法逐步积分法求解,采用瑞利阻尼型式.由FORTRAN90语言编制计算程序,可以进行自由场和非自由场地基动力反应与液化、桥梁体系动力反应与破坏、单桩和群桩条件下桩-土-桥梁结构动力相互作用等多种分析,可以计算任一部位的孔压、动应力、动应变、动位移、速度、加速度、反应谱等.通过与试验结果的对比分析,评估数值模拟的建模途径和计算方法的可靠性.因篇幅所限,以上数值模拟方法的详细情况另文发表在此不赘述.2上分层开采试验方案计算模型见图1.土箱由范立础院士课题组研制的,可沿水平振动方向自由剪切.试验测得地基基频为10Hz,远离土箱基频,因而二者不发生共振.空土箱阻尼比试验值3.5%,而地震下土基阻尼比一般5%～30%,所以土箱阻尼将不对地基动反应产生不良影响.桩-柱墩长2.62m、直径10cm,试验抗压强度31MPa、弹性模量8.424×103MPa、重度22000N/m3.桩入土深度为1.7m.上部桥梁结构配重120kg.地基水平断面面积200cm×150cm,下伏砂土层厚170cm、上覆粘土层30cm,砂土试验密度2.07g/cm3、孔隙比0.5994、饱和度0.748、初始动剪切模量78.93MPa(经剪切波速修正后取43.167MPa)、阻尼比26%(参照文献取值),黏土试验密度1.96g/cm3、孔隙比0.724、初始动剪切模量62.7MPa(经剪切波速修正后取37.96MPa)、阻尼比21%.上部桥梁结构配重120kg.据试验工况,计算输入地震波分别为压缩0.15gElCentro波、0.15gElCentro波、0.5gElCentro波.3加速度分析的参数选取及计算值加速度峰值放大系数:测点的反应加速度峰值与输入加速度峰值之比.见图1,沿桩-柱墩长度方向取有一定位置代表性的加速度计A8、A10、A12的试验记录与相应的计算做分析,加速度时程和峰值放大系数的试验曲线、计算曲线见图2～5.据图2～5知.(1)三种地震波输入下,加速度峰值放大系数沿桩-柱墩长度方向的总体变化规律,计算值与试验值具有较大一致性,且从加速度时程中可看出加速度峰值的计算值和试验值均在10～20s内,各处加速度时程的试验曲线与计算曲线的形状也极其相似,说明数值模拟的建模途径、若干问题处理措施、计算参数选取等基本吻合于试验,并且二者形成了相互验证各自对实际地震反应再现可靠性的关系.(2)沿桩-柱墩长度方向各点加速度时程幅值的计算值一般较试验值小.加速度峰值放大系数更说明这一点:①压缩0.15gElCentro波输入下,各处峰值放大系数的计算值均较试验值约小0.5;②0.15gElCentro波输入下,地表峰值放大系数的计算值较试验值约小2,其它位置的计算值均较试验值约小0.5;③0.5gElCentro波输入下,桩中部、地表处加速度峰值放大系数的计算值与试验值基本相同,而桩中上部且靠近黏土层、柱墩顶部的计算值均较试验值约小0.5.上述也许与建模、参数选取等而引发的计算误差有关,但是并非完全如此,还应该与不同强度地震输入下桩-柱墩沿长度方向不同位置的加速度反应不同、不同介质过渡带和自由空间对加速度反应的不同影响等有关;另一方面,计算得到的土体刚度比实际土体刚度偏大,因而桩侧土体对桩的约束加大,导致计算加速度反应偏小,所以加速度时程幅值和峰值放大系数的计算值均较试验值小,特别是试验中砂土层发生液化时尤其如此(由于计算中所依据的液化判别准则,对砂土判别不液化、而试验已经液化).(3)0.15gElCentro波输入下,无论是试验值、还是计算值,加速度时程幅值和峰值放大系数均沿桩-柱墩长度方向由下而上一直较大幅度增大,说明较小震输入下桩-柱墩通长处于弹性状态,加之砂土层的孔压较低、局部液化对桩的影响尚未显现,因而运动相互作用占重要地位,所以自下而上对地震作用连续放大,试验中观察的现象也如此.而压缩0.15gElCentro波输入下则与之不同,加速度时程幅值和峰值放大系数的试验值、计算值在砂土层与黏土层过渡带均有增大趋势、而在地表则有一定程度减小,并且压缩0.15gElCentro波较0.15gElCentro波输入下各处加速度时程幅值和峰值放大系数均小,从而进一步证明了对结构震害的认识:在强度相同而持时不同的地震作用下,周围介质性质对结构地震反应的影响不同,并且地震持时越长、结构地震反应越强烈且易发生震害,实际震害调查也说明这一点.(4)0.5gElCentro波输入下,无论是试验值、还是计算值,加速度峰值放大系数在砂土层与黏土层过渡带均突变增大、而在地表则明显减小,这与试验中0.5gElCentro波输入下桩破坏范围和折断位置位于砂土层与黏土层过渡带的现象极其吻合,并且试验模拟的原型——唐山地震倒塌胜利桥的桩基震害也如此,因而实际工程中应特别注意对可液化土层与非液化土层过渡带桩段的抗震加固.此外,0.5gElCentro波较0.15gElCentro波输入下各处加速度峰值放大系数均小,说明较大震输入下,桩-柱墩明显处于非线性状态,因而对地震反应较小;另一方面,0.5gElCentro波输入下砂土层已完全液化、抗剪能力极低、剪应变很大,因而对桩体的侧向支撑力很小,桩-柱墩主要受到上部结构配重的水平惯性力与地运动的双重作用,从而大大消弱其地震反应.(5)0.5gElCentro波输入下,在砂土层与黏土层过渡带(试验中桩折断位置)之下,加速度时程幅值的计算值和试验值均沿桩长度方向增大,折断位置之下的桩段处于近似线性状态、对输入地震具有一定放大作用;而至砂土层与黏土层过渡带,加速度时程幅值的计算值和试验值均大大减小,说明桩段处于非线性状态,桩的试验破坏与折断位置正于此;但是,在墩顶,加速度时程幅值的计算值又明显增大、而试验值则非如此,这是由于试验中桩破坏与折断、柱墩倒塌,因而柱墩顶部的加速度反应已不含折断位置之上桩-柱墩的放大作用,与之相比,计算获得土体和桩-柱墩的刚度较实际的偏大,并且只能计算桩的破坏与折断、而无法模拟桩-柱墩的倒塌,故此加速度时程幅值的计算值较试验值偏大.应该指出,在桩折断位置和柱墩顶部,加速度时程的试验曲线中出现很大的激跳幅值(大约发生于13～15s),这完全是由桩折断引起桩-柱墩倒塌造成的瞬时记录,与地震反应无关.4数字振动台实验室的研究意义1)如果这种数值模拟技术全面成熟,那么无需投入大量的经费建振动台试验的物理(实物)实验室,而完全可以建关于振动台试验的数字实验室,特别是在现代计算机技术高度发达的今天,数字振动台实验室将能够实现任意大、任意复杂的模型甚至原型模拟,对于科研经费投入比较有限的我国来说无疑更赋有现实意义;2)数值模