地震荷载作用下桩—土—上部结构作用机理及数值模拟

摘要

桩基础是一种历史悠久，又广泛采用的基础形式。随着各种高、大、重、深建筑物不断涌现，对地基基础提出了更高的要求，桩基础以其承载力大、稳定性好、抗震性能优良、适应地基及荷载类型范围广等特点而得到广泛采用。
　　 大量实践证明，桩基础对上部结构的沉降有明显的改善，可以大大提高上部结构抗倾覆能力，桩基础具有良好的抗震性能，地震作用下，桩一土的相互作用使建筑物的自振周期延长，从而降低了结构的水平地震反应。上部结构与地基基础在地震作用下的相互作用过程中由于桩基础与地基间的摩擦阻尼作用可以吸收一部分地震能量，从而减轻地震对上部结构的破坏力，起到一定的隔振作用。而对震害的观察与调查分析表明，桩基破坏主要是由于地基大幅度运动导致作用在桩上巨大的运动或上部结构的惯性力引起的。常见的破坏形式有弯、剪、裂破坏，其位置主要发生在桩顶附近，软弱土层交界处或承台处，还有的是变形过大而引起的破坏。由于破坏的隐蔽性，使得破坏桩基的修复极为困难而且耗资巨大，因此对地震作用下的桩-土-上部结构动力相互作用进行数值模拟研究具有重要的学术意义和较强的工程实用价值。
　　 本文筋经过建模分析，详细的阐述了地震作用下桩-土-上部结构的位移与内力规律，并由此提出在以后的设计中的一些建议。具体的研究内容与取得的成果如下：
　　 （1）在总结弹塑性理论和分析不同弹塑性本构模型优缺点基础上，确定了适合于桩-土-上部结构体系的弹塑性本构关系。
　　 （2）采用了桩-土-上部结构体系动力相互作用有限元法分析的方案。包括非线性动力方程的求解方法，单元的选取，土体边界的模拟方法，地震动的输入。
　　 （3）重点分析上部结构刚度的改变对基桩抗震性能的影响时，发现上部结构刚度的变化引起桩-土-结构相互作用体系的质量增大，而使在同-地震荷载作用下时，惯性力增大，造成下部桩基的动力响应增大；
　　 （4）采用子结构法对结构与桩基互相作用体系的动力特性的部分问题进行了计算与分析。