考虑地形效应的斜坡桥桩抗震性能及设计方法研究
批准号:
52108321
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
可文海
依托单位:
学科分类:
岩土与基础工程
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
可文海
中文摘要
山区斜坡的地形效应可对地震作用产生数倍增幅,这将显著威胁斜坡桥桩抗震安全性。依照我国现行规范进行斜坡桥桩抗震设计时存在:缺乏可靠手段计算斜坡地形效应影响;缺乏适用于斜坡地形的桩受力变形计算方法;缺乏罕遇地震下斜坡桥桩抗震设计方法。.本项目拟首先采用波函数展开法揭示斜坡地震波传播规律,提出斜坡桩基础地震动输入方法,形成计算斜坡地形效应的可靠手段;然后结合能量变分原理、有限元模拟与斜坡桥桩拟静力试验,揭示斜坡桩—地基耦合震动规律,提出适于斜坡地形的桩—土动力相互作用模型,形成斜坡桥桩抗震设计中地基抗力计算方法,服务于斜坡桥桩抗震设计的桩受力变形计算;最后基于理论研究、有限元模拟、增量动力分析法结合概率统计提出考虑斜坡地形效应的桥桩抗震性能指标参考值,对罕遇地震下难以满足弹性变形要求的斜坡桥桩提供设计指导。.综上,本项目研究成果对斜坡地形桥桩基础抗震设计与抗震安全性评价具有重要指导意义。
英文摘要
The slope topography effect could multiply the seismic load, which will significantly threaten the seismic safety of slope bridge piles. At present, there are some defects in the seismic design of slope bridge piles in the existing seismic codes: lack of reliable method to calculate the influence of slope topography effect; lack of calculation procedure for evaluating the kinematic response of slope bridge piles; lack of seismic design method for the slope bridge piles under a rare earthquake.. In the beginning, this project intends to reveal the propagation pattern of slope seismic wave based on the wave function expansion method, proposes a seismic motion input method for the slope pile, and form a reliable method to evaluate the effect of slope topography. Then, reveals the mechanism of the coupling vibration between slope pile and surrounding soil based on the variation principle, finite element simulation and pseudo-static test. By considering the coupling vibration between slope pile and surrounding soil, a nonlinear kinematic soil - slope pile interaction model will be proposed. The calculation method of foundation resistance in seismic design of pile foundation is formed based on the kinematic soil - slope pile interaction model, which serves the calculation of pile deformation. Finally, the influence of slope topography on the seismic performance index of slope pile foundation is evaluated based on theoretical research, finite element simulation, IDA method and probability statistics. The proposed performance index of pile foundation will provides design guidance for the slope pile foundation which inevitably generates plastic deformation under rare earthquake. . In summary, the research results have significant instruction for seismic design and seismic safety evaluation of slope bridge pile foundation.
斜坡桥桩作为山区桥梁工程中的重要组成部分,其抗震性能直接关系到桥梁结构的安全性与稳定性。由于斜坡地形地震波散射规律复杂,依照现行规范进行桥桩抗震设计时,无法准确考虑斜坡地形效应影响。本项目提出了一种求解斜坡桩动力响应的严格方法。使用波函数展开法结合Graf加法定理计算斜坡震动响应并利用弹性地基梁模型确定斜坡桩的动力响应。该模型的计算结果与有限元计算结果吻合良好。通过调整计算模型的不同参数,分析了斜坡坡度、桩位、地震波频率对斜坡桩动力响应的影响。斜坡的陡峭程度、桩在顶部和趾部的位置以及特定的地震波频率是导致地形放大对桩动力响应产生显著影响的主要条件。相比之下,改变桩与土体模量比对地形效应的影响相对较低。斜坡地形作用下,桩基容易受到地形放大效应的影响,影响与桩基距斜坡距离成反比,并且当桩与顶部的距离超过斜坡长度的两倍时,地形效应的影响变得可以忽略不计。地形效应对桩位移的放大作用最为显著,可能会导致桩的动力弯矩和动力剪力多倍放大。斜坡内桩的运动弯曲和剪切力的地形放大约为桩的运动位移的0.53倍和0.57倍。同时结合斜坡土-桩-结构动力相互作用半解析模型与斜坡地震动输入方法,形成了斜坡桩震动响应的计算方法,并编制了相应的有限元计算程序。该方法能够高效、精确地模拟斜坡桩在地震作用下的动力响应为工程设计提供了实用工具。通过室内模型试验,深入研究了水平循环荷载及其与静载组合作用下桩基的力学响应特性。试验结果表明,桩顶位移和桩身弯矩在不同荷载条件下呈现显著变化。研究发现,随着循环荷载加载次数的增加,坡度对位移增幅的影响逐渐减弱,表明高荷载条件下土体的塑性变形累积可能抑制坡度效应的进一步放大。本项目以理论研究、有限元模拟、拟静力试验为研究手段,开展相关研究,为罕遇地震下斜坡桥桩的抗震性能化设计提供理论支持。
国内基金
海外基金