液化场地桩基桥梁抗震设计方法研究

近数十年来，由于地震引发的砂土液化所导致的桥梁结构损毁的震害在全球范围内屡有报道，而我国桥梁众多，且多数处于地震烈度较高的沿江沿海地区，存在大量可液化地带，故而砂土液化对桥梁抗震安全性的影响不容忽视。国内外学者已经对液化场地中土体液化机理和桩-土相互作用进行了大量的研究，但对于桥梁结构的抗震设计，研究成果还远远不够。本项目的目标是考虑液化产生的地面大变形影响，揭示液化场地桩基桥梁的地震破坏机理，并建立抗震设计方法。围绕这样的研究目标，课题组采用理论分析结合试验研究的方法开展了如下研究：首先，提出了可考虑液化土层局部剪切变形特性的二维场地、三维结构的多尺度有限元模型，并采用国外离心机试验验证了数值模型。在此基础上，进行了液化场地桩基桥梁地震反应的参数敏感性分析。根据分析结果，选取高敏感性参数，进行了振动台试验的设计，通过试验结果，揭示了液化场地桩基桥梁的地震破坏机理。而后，建立了能够代表液化场地-桩基桥梁结构的单墩简化模型，并进行大量的数值参数分析，总结地震反应规律，并提出了简化的抗震设计方法。最后，依托实际工程，建立了场地-全桥的有限元模型，研究了桥梁结构各部件在液化场地的地震反应特性，数值结果与实际震害相吻合。本项目的研究成果可为我国桥梁抗震设计规范的改进提供有力的支持。 2100433B

土体液化导致的桩基桥梁地震震害非常常见。我国地震多发，而桥梁众多的沿海地区地震烈度高，又存在大量可液化地带，砂土液化对桥梁抗震安全性的影响不容忽视。国内外对液化场地中桩-土相互作用已经进行了大量的研究，但对于桥梁的抗震设计，研究成果还远远不够。本项目的目标是考虑液化产生的地面大变形影响，揭示液化场地桩基桥梁的地震破坏机理，并建立抗震设计方法。主要研究内容有：1) 考虑液化大变形，分析液化对桩基、桥梁上部结构地震反应的影响，总结液化场地桩基桥梁的地震反应特性； 2）考虑液化大变形，进行液化场地桩基桥梁单墩模型振动台试验，研究桩基地震破坏机理并验证理论计算模型；3）解决液化场地桩土惯性相互作用和几何相互作用的简化计算及组合方法，建立液化场地桩基桥梁地震反应的简化分析方法；4）进行液化场地桩基桥墩系统Pushover分析，研究地震破坏机理以及地震变形能力，提出液化场地桩基桥梁的抗震验算指标。

基于我国液化侧扩流场地桩基桥梁抗震设计的应用需求，密切此项研究的国际前沿技术与最新进展，直接针对桩基简支桥梁结构与液化侧扩流场地条件，并以延性抗震能力研究较充分的钢筋混凝土桩基－柱式桥墩为研究对象，采用试验方法、理论分析、数值模拟与震害调查相结合的研究手段，立足于场地液化侧扩流造成桥梁桩基破坏的震害事实，着眼于从分析桩－土－桥梁结构强震相互作用入手，注重于研究桩基强震反应的基本规律、桩－土强震相互作用的物理过程与力学机制、桩－土运动相互作用与惯性相互作用对桩基抗震性能的重要影响，致力于提出便于推广、易于数值实现的液化侧扩流场地桥梁桩基强震反应与稳定性分析方法，初步建立液化侧扩流场地桥梁桩基抗震设计的简化分析方法（对我国现行规范中液化侧扩流场地桥梁桩基抗震设计方法提出初步的改进建议）。有利于进一步提高我国桥梁工程抗震基础研究的创新能力，并逐步实现对桥梁工程震害与抗震研究的重点跨越与理论升华。

地震中液化引发场地侧扩流是导致桩基震害的主要原因之一。振动台试验是研究液化侧扩流场地桩－土动力相互作用最有效的途径之一。数值计算是振动台试验的有力补充，同时也是将理论研究工作拓展到实际工程的必要技术环节。鉴于此，本项目针对地震下液化侧扩流场地桩－土相互作用体系，通过大型桩基振动台试验和理论分析相结合的方法，建立了液化侧扩流场地桩－土动力相互作用有限元数值计算模型和简化分析方法。同时，基于典型液化侧扩流场地桩－土－上部结构体系分析模型，获取了桩－土相互作用荷载传递规律。最后，基于现有设计方法，提出了液化侧扩流场地桩基抗震设计方法，并验证了设计方法的有效性。具体研究内容、方法及成果如下： (1) 液化侧扩流场地桩基振动台模型试验。针对典型近岸液化侧扩流场地特点，借鉴同类振动台试验设计经验，完成了液化侧扩流场地桩基振动台试验，并对液化侧扩流场地土层孔压、加速度和侧向位移及桩的侧向位移和弯矩响应进行系统分析。 (2) 液化侧扩流场地桩基振动台模型试验有限元数值模拟。针对桩基振动台试验，利用初始状态分析法，通过施加节点孔压和相应节点荷载模拟自由水体，建立了液化侧扩流场地桩基振动台数值模型，并基于振动台试验结果对数值模型的可靠性进行验证。 (3) 液化侧扩流场地桩－土相互作用简化分析方法。针对桩基振动台试验，基于非线性Winkler地基梁模型，建立了液化侧扩流场地桩－土相互作用简化分析方法，基于试验结果对简化分析方法的可靠性进行验证并进行了参数分析。 (4) 液化侧扩流场地桩－土相互作用荷载传递模型。建立了典型的液化侧扩流场地桩基地震响应荷载传递模型，分析了桩土荷载传递规律。 (5) 液化侧扩流场地桩基抗震设计方法。提出基于位移的文克尔地基梁等效静力设计方法，给出了该方法的一般步骤，并依据动力非线性有限元分析对该设计方法进行了验证，最后给出了该方法进行液化侧扩流场地桩基设计的使用实例。 2100433B

本项目以可液化地基中桩基础为研究对象，针对具有上部结构-桩基-地基系统的“三维化、非线性、大系统”的鲜明特征，揭示其动力相互作用规律与破损机理。以离心模型试验和数值仿真为主要研究手段，着重探讨地震条件下可液化地基中上部结构-桩-地基共同工作机理以及桩基础受力变形的基本规律、影响因素和物理机制，提出可液化地基中桩基础受力和变形计算分析方法。 （一）系统全面地调研整理了国内外相关的文献资料。通过总结分析，充分反映了目前国际上对可液化地基中桩基础抗震问题的认识水平，明确了目前各种方法中的问题。 （二）开发了可液化地基中桩基础动力离心模型试验系统并进行系列试验：在清华大学50g-t土工离心模型试验机和振动台上，开发了可模拟地震条件下可液化地基桩基础的离心模型试验及测量技术。完成了8组离心模型试验重点研究不同地基条件、上部结构对桩体所受水平荷载和弯矩大小和分布的影响，揭示了简单条件下可液化地基中桩基础的动力学响应规律。 （三）发展了针对砂土液化问题的三维化、非线性动力数值仿真理论及技术。建立了三维砂土液化后大变形统一本构模型，实现了对砂土液化后大变形问题的三维统一描述。采用高效数值算法，在开源OpenSEES非线性有限元软件平台上对模型进行了数值化，并实现了模型的并行计算。 （四）建立了成套的可液化地基中桩基础受力和变形计算分析方法：包括三维动力数值仿真技术在内，建立了可完整评价可液化地基中桩基础在地震过程中和震后水平和竖向受力与变形的计算分析方法，真正的发展了多尺度多层次精细数值仿真理论及技术，为桩基础安全调控和优化设计提供了理论及方法。 （五）揭示了可液化地基中桩基础动力响应规律。在总结试验规律的基础上，利用三维条件下桩基础大规模数值仿真技术和其他静动力计算方法，对可液化地基中桩基础在地震过程中和震后的受力和变形规律进行了全过程分析和总结。 2100433B