（岩土工程专业论文）地震作用下挤扩支盘桩抗拔和减震耗能性能的研究.pdf

地震作用下挤扩支盘桩抗拔和减震耗能性能的研究 摘要 随着支盘桩在工程中大量应用，支盘桩的动力特性越来越引起工程技术人 员的关注。本文结合支盘桩一土一框架结构动力相互作用的振动台模型试验，采 用大型有限元分析软件m a r c 对支盘桩体系的抗震性能进行了研究。数值计算结 果表明：在x 单向和x 、z 双向地震波激励下，框架结构顶层加速度时程曲线与 试验曲线吻合较好，从而验证了数字模拟的可靠性和精确性。并在相同条件下， 建立直杆桩体系的有限元模型，将两种桩型体系的计算结果进行了对比研究。 研究结果表明： ( 1 ) 支盘桩的抗拔力由桩侧摩阻力和桩盘的端阻力组成，随着动荷载的增 大端阻力所占的比重也增大，支盘成为传递荷载的主要途径。而直杆桩的抗拔 力只靠桩侧摩阻力来提供，其抗拔力远小于支盘桩，且在x - z 双向地震波激励 下表现的更为突出。 ( 2 ) 在地震作用下，建筑物的摇摆使支盘桩承受交替变化的拉压荷载，支 盘上部土体中的拉“应力泡”随着结构顶层侧移的增大而不断增大，说明上拔 力主要是通过支盘传递的，支盘有效地耗散了部分地震能量。另外，支盘桩组 成的群桩基础体系可充分发挥支盘桩的抗拉、抗压承载潜力，具有较强的抗倾 覆能力，大大减小了上部结构的摆幅，有效防止结构因过度倾斜而出现整体倾 覆。 ( 3 ) 在相同地震波激励下，由于支盘桩的“端承”作用，支盘桩所对应上 部结构摆动的幅度较小，结构重心偏移引起的倾覆力矩也小。支盘桩在减轻上部 结构震害的同时，对自身也起到了有效的保护作用。 ( 4 ) 指出了抗剪能力是支盘桩和其他桩型共有的弱点，并建议在高层抗震 设计中将支盘桩与筏基或箱基组合使用，充分发挥支盘桩的减震耗能性能。 研究结果为进一步揭示桩基抗拔和抗震机理提供了新的技术手段和依据， 并在防灾减灾方面具有重要的理论和现实意义。 关键词：抗拔；抗震分析；应力泡；数值模拟；支盘桩；振动台试验； t h es t u d yo f a n de n e r t h es q u e e z e db r a n c hp i l eo f a n t i - p u l l g yd i s s i p a t i o np e r f o r m a n c eu n d e r e a r t h q u a k e a b s t r a c t w i t hal a r g en u m b e ro ft h ea p p l i c a t i o no ft h eb r a n c hp i l ei ne n g i n e e r i n g ，t h e e n g i n e e r sb e g i nt op a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ec h a r a c t e r i s t i cd y n a m i cp i l e b a s e do n s h a k i n gt a b l et e s to ft h ed y n a m i ci n t e r a c t i o no fs q u e e z e db r a n c hp i l e - s o i l - - f r a m e s t r u c t u r e ，u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r em a r c t or e s e a r c ht h es e i s m i c p e r f o r m a n c e o fs q u e e z e dd i s kp i l e s y s t e m n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n r e s u l t s i n d i c a t e dt h a ti t st i m e h i s t o r yc u r v e so fa c c e l e r a t i o na tt h et o po fs t r u c t u r ei si n g o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lc u r v eu n d e rt h ee x c i t a t i o no ft h ex w a ya n d x ，zt w o w a y s e i s m i cw a v e ，w h i c hv e r i f i e st h er e l i a b i l i t ya n da c c u r a c yo f n u m e r i c a ls t i m u l a t i o n t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h es t r a i g h tp i l es y s t e mi sa l s o e s t a b l i s h e du n d e rt h es a m ec o n d i t i o n ，a n dc o n t r a s tr e s e a r c hi sd o n eb e t w e e n c a l c u l a t i o n so ft h o s et w od i f f e r e n tp i l e - t y p es y s t e m t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i ti sf i g u r e do u tt h a tt h eb o t ht h es i d ef r i c t i o nr e s i s t a n c eo ft h ep i l ea n dt h e e n dr e s i s t a n c ef o r c eo ft h ed i s kc o m p o s e sa n t i p u l l i n gf o r c eo ft h es q u e e z e dd i s k p i l e t h ep e r c e n t a g eo ft h ee n dr e s i s t a n c ef o r c et a k i n gr i s e sw h e n t h ed y n a m i cl o a d i n c r e a s e s ，a n dt h el o a di sm a i n l yt r a n s f e r r e dt h r o u g ht h ed i s kp i l e h o w e v e r ，t h e a n t i p u l l i n gf o r c eo ft h es t r a i g h tp i l ei sm u c hs m a l l e rt h a nt h ed i s kp i l eb e c a u s ei ti s p r o v i d e db yf r i c t i o nr e s i s t a n c eo fi t sp i l es h a f to n l y ，a n dt h i sd i f f e r e n c eb e c o m e s m o r ed is t i n c tu n d e rt h ee x c i t a t i o no ft h ex ，zt w o w a ys e i s m i cw a v e ( 2 ) i ti sa l s oi n d i c a t e dt h a tt h es q u e e z e dd i s kp i l eb e a r sa l t e r n a t i n gt e n s i o na n d c o m p r e s s i o nl o a d sw h e nt h eb u i l d i n gv i b r a t e su n d e re a r t h q u a k e ，a n dt h ep u l l i n g ”s t r e s sb u b b l e ”i nd i s k - u p p e rs o i lg r o w sw h e nt h ed i s p l a c e m e n ta tt h et o po ft h e s t r u c t u r ei n c r e a s e s i tp r o v e st h a tt h ep u l l i n gf o r c ei sm a i n l yt r a n s m i t t e dt h r o u g h t h ed i s k sw h i c he f f e c t i v e l yd i s s i p a t ep a r to ft h es e i s m i ce n e r g y i na d d i t i o n ，t h e g r o u pp i l eb a s es t r u c t u r ew h i c hf o r m sb yd i s kp i l e sc a nm a k eaf u l lu s eo fi t s a n t i - p u l l i n ga n da n t i - p r e s s i n gl o a d i n gp o t e n t i a l ，t h i ss t r u c t u r ea l s oh a v eab e t t e r a n t i - c a p s i z i n gc a p a b i l i t y ，w h i c ht h es w i n go fi t s u p p e rs t r u c t u r ec a nb em i t i g a t e d a n dt h ec a p s i z i n go ft h ew h o l es t r u c t u r eb ep r e v e n t e d ( 3 ) u n d e rt h es a m ee x c i t a t i o no ft h ee a r t h q u a k ew a v e ，t h es w i n g i n go fu p p e r s t r u c t u r eu s i n gt h ed i s kp i l e si sl e s sa n dt h ec o l l a p s et o r q u ec a u s e db yt h e d i s p l a c e m e n to ft h eg r a v i t yo ft h es t r u c t u r ei sa l s os m a l l e r n o to n l yc a ni tl i g h t e n t h ed a m a g eo ft h eu p p e rs t r u c t u r e ，b u tc a na l s om a k eam o r ee f f e c t i v e s a f e p r o t e c t ( 4 ) i ti n d i c a t e st h a tt h ea n t i s h e a r i n gc a p a b i l i t yi st h ew e a k n e s so fb o t ht h e b r a n c hp i l ea n do t h e rp i l e s ，i ti sa l s os u g g e s t e dt h a tt h ec o m b i n a t i o no f t h eu s eo f t h eb r a n c hp i l ea n dt h er a f tf o u n d a t i o no rb o x b a s e d p i l es h a l lb ea d o p t e do n h i g h - l e v e ls e i s m i cd e s i g n ，i n o r d e rt h a tt h es h o c ka b s o r p t i o nf u n c t i o no ft h eb r a n c h p i l ec a nb ef u l l ye x p r e s s e d n e wt e c h n i c a lm e t h o d sa n db a s i sf o rr e v e a l i n gt h ep i l eb a s e sa n t i p u l l i n ga n d a n t i 。s h o c k i n gm e c h a n i s ma r ep r o v i d e db yt h i ss t u d y ，a n dt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c ei sa l s or e n d e r e do nd i s a s t e rp r e v e n t i o na n dr e d u c t i o n k e yw o r d s ： a n t i 。p u l l i n g ； s e i s m i c a n a l y s i s ； s t r e s s b u b b l e ； n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；b r a n c hp i l e ；s h a k i n gt a b l et e s t ； 插图清单 图2 1 试验用土箱结构示意图及照片8 图2 2 模型结构布置及配筋图1 0 图2 3 上部结构模型1 1 图2 - 4 支盘桩模型1 1 图2 5 土箱中的钢管1 2 图2 - 6 加速度计及加速度计盒1 3 图2 7 土压力计及土压力盒1 3 图2 8 传感元件测试图1 3 图2 - 9 支盘桩上的应变计1 3 图2 1 0 支盘桩编号图1 4 图2 1 1 应变计布置图1 4 图2 1 2 土压力计测点图1 4 图2 1 3 试验加速度计测点布置图1 5 图2 1 4 试验位移计测点布置图1 5 图2 1 5 试验孔隙水压力计测点布置图1 5 图2 1 6e lc e n t r o 波时程图及其傅氏谱1 6 图2 17 上海人工波时程图及其傅氏谱16 图2 18k o b e 波时程图及其傅氏谱1 6 图3 1单轴拉伸试验2 2 图3 2线性m o h r c o u l o m b 材料在平面应变条件下的屈服面一2 3 图3 3n e w t o n - - r a p h s o n 迭代方法2 5 图3 4 修正n e w t o n r a p h s o n 迭代方法2 5 图3 5迭代过程中残差与位移的变化2 6 图4 1直杆桩有限元模型2 9 图4 2支盘桩有限元模型一2 9 图4 3上部结构i 2 模型2 9 图4 4土体l 2 有限元模型2 9 图4 51 2 有限元模型3 0 图4 6输入地震波波形3 2 图4 7试验实测阵型曲线3 3 图4 8计算得到的阵型3 3 图4 9a 7 点加速度的对比3 4 图4 10a 1 点加速度的对比3 4 图5 1上海波激励下1 # 和3 # 桩顶z 向位移曲线3 5 图5 2s h 激励下两种桩型桩顶的z 向位移曲线3 6 图5 3e l 激励下两种桩型桩项z 向位移曲线3 6 图5 4 桩一土应力分布云图3 7 图5 5 支盘桩和直杆桩应力分布云图3 8 图5 6s h 波激励下盘上与盘下z 向接触压力对比曲线3 8 图5 7s h 波激励下角桩与中桩z 向接触压力对比曲线一4 0 图5 8 桩身等效总应变4 0 图5 - 9 试验后支盘桩的裂缝图4 l 图5 1 0l # 和3 # 桩桩身应变4 2 图5 1 1 双向地震作用下支盘桩桩顶应变4 3 图5 1 2 双向地震作用下直杆桩桩顶应变4 3 图5 1 3s h 2 工况下直杆桩桩顶应变图4 3 图5 1 4e l 2 工况下直杆桩桩顶应变4 3 图5 1 5 支盘桩和直杆桩阻尼能对比曲线4 5 图5 1 6 支盘桩和直杆桩体系的水平位移变形图4 6 图5 1 7 支盘桩和直杆桩体系的“拔起 4 7 图5 18 地震作用下桩基的“剪断 4 8 表格清单 表2 1 模拟地震振动台性能参数6 表2 2 模型主要物理量的动力相似系数8 表2 3 原型与模型的尺寸情况一9 表2 4 原型与模型的结构参数一9 表2 5 模型土的参数1 2 表2 6 自由场试验加载制度1 7 表2 7 支盘桩一地基土一上部结构系统振动台试验加载制度1 8 表4 1 模型土的参数3 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金目巴工些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名李金俸 签字日期：z o o 年年月2 2 1 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆工业太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金肥工业厶堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文储签名夺金停 导师签名 铖；壤磋 签字日期： z o o 年午月2 上日签字日期：7 o o 年午月z z 日 工作单位：莞i 翻r 申勘臻测经设凇f i i 宛院 通讯地址：自宪甏溯j i 钎缄西婺7 亏 电话：膨。彤叩励 邮编：2 伽oo 致谢 本论文是在导师钱德玲教授的悉心指导下完成的，论文的选题来源于钱德 玲教授主持的国家自然科学基金资助项目( 4 0 7 7 2 17 1 ) 。论文中的许多地方都凝 结着她的心血。在近三年的研究生学习期间，我有幸师从钱老师。她那渊博的 学识、严谨务实的治学态度、忘我的科研精神、高尚的人格品质和诲人不倦的 教育情怀都在潜移默化地感染着我，并将永远鞭策我奋发向前。值此论文完成 之际，特向钱老师致以崇高的敬意和深深的感谢! 感谢李辉、李健全、夏京、徐雁飞、周伟等师兄弟，在试验数据处理、数 值模拟的建模、论文写作等方面给予的帮助。 另外，我还感谢我的父母多年，十几年的寒窗苦读，凝结了我奋进的汗水， 更印照着他们在背后默默注视我的目光。多年的异地求学生涯，是他们用自己 的辛勤劳动给我创造了一片宁静的学习环境，是他们在精神和物质上给予的极 大支持和鼓励在催我奋进，这些都是我得以安心完成学业的保障，我将用一生 来回报! 最后，我要感谢本论文的审阅人、评议人、答辩委员和答辩秘书在百忙之 中抽出宝贵的时间，对论文进行评阅与指导。 作者：李金俸 2 0 10 年4 月 第一章绪论 1 1 引言 桩基是高层建筑防震抗震的主要基础类型，也是桥梁、高架等结构承受荷 载和减少沉降的主要构件。虽然桩基具有很多其他基础不曾有的优点，但在历 次地震中，有关桩基的破坏也屡见不鲜，如日本阪神地震中高架桥和建筑物的 破坏，说明桩基的破坏除与地震震级、波形和场地等有关外，还与自身结构形 式有关。在地震作用下，地基一桩基一上部结构作为一个整体产生振动，并且相 互制约和相互影响，而建筑物的倾斜、倒塌等又是上部结构一桩基一地基共同作 用的结果。其原因是地震的作用通过桩基传递给上部结构，而上部结构的摇摆 和扭转所产生的动荷载又反馈给基础，桩基以摇摆和升降运动的形式释放变形 能，从而减小上部结构的摆动，但也容易造成桩基的折断和破坏。由于桩基深 埋于地下，震害不易被发现，因此，与建筑物上部结构相比，关于桩基震害的 资料较少。桩基一旦破坏其后果是十分严重的，因此，有必要对桩基在地震作 用下的动力响应进行研究。研究发现，如果桩基改变自身的结构形式，或增强 抗压、抗拔和抗扭转的能力，将会减少建筑物的变形和破坏。支盘桩是一种新 型的变截面桩，桩身可以设置多个盘，盘与土体接触面积较大，增强了桩一土的 相互作用，充分发挥了地基和桩基的承载潜力，并具有较大的抗压和抗拔力， 有利于结构物的抗震和减震【l j 。 目前国内外桩基抗震方面的研究仅限于直杆桩，范立础和楼梦麟等教授 2 - 6 】 考虑桩一土一桥梁结构相互作用的振动台试验研究，吕西林教授【7 j 、和宋二祥 【8 】都主要研究直杆桩的动力特性，很少就桩基结构形式的改变展开动力响应的 研究【9 j 。近年来，关于支盘桩的研究主要集中于静力条件下的抗压承载力，而 有关支盘桩抗拔问题的研究却很少，特别是地震作用下支盘桩抗拔和抗震性能 方面尚缺乏深入的理论和试验研究。本文在同济大学土木工程防灾国家重点实 验室进行了支盘桩一土一框架结构动力相互作用体系的振动台试验，并采用大型 有限元分析软件m a r c 对支盘桩在地震作用下的抗拔性能和抗震特性进行了数 值模拟分析。通过数值计算，高层建筑结构顶层加速度曲线与试验结果吻合较 好，同时在相同的条件下建立了直杆桩体系的三维有限元模型。从计算分析和 试验相结合的角度研究了两种桩型的桩土相互作用，主要从桩身应变、桩身应 力、桩土接触压力、桩土滑移等方面进行了分析，并对其变化规律进行了总结。 结合实际的震害和试验中桩身裂缝图，探讨了桩基的破坏形式，指出了抗剪能 力是支盘桩和其他桩型共有的弱点，并建议在高层抗震设计中将支盘桩与筏基 或箱基组合使用，充分发挥支盘桩的减震耗能性能。研究结果为进一步揭示桩 基抗拔和抗震机理提供了新的技术手段和依据，并在防灾减灾方面具有重要的 理论和现实意义。 1 2 结构一地基动力相互作用 1 2 1 结构一地基动力相互作用的概念 在地震作用下，从震源出发，通过场地土传播的地震波输入结构体系，使 其振动。同时，结构体系产生的惯性力如同新的震源又反过来作用于地基，引 起新的地振动，这种结构与地基间循环振动作用的现象就称为结构一地基的动 力相互作用【l 们，也称为土一结构相互作用( s o i l s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n ) 。 在高层建筑抗震设计中大多采用桩基础，因此用桩土结构动力相互作用 体系来描述动力相互作用的概念更为确切，在相互作用体系中，桩基的动力相 互响应是决定体系抗震性能的重要组成部分，研究支盘桩的动力特性具有十分 重要的意义。 1 2 2 支盘桩一土一结构动力相互作用的意义 目前，在建筑结构抗震的工程设计中，通常假设地基是刚性的，即假定地 震时建筑物基础的运动形式与其领近的自由场地一致，这种采用上、下部分离 思路进行的设计，方法给抗震计算带来很大的方便，但是与工程实际存在偏差 【1 1 】。由于土体一桩基础一上部结构的相互作用，桩基础是同时受到上部结构的惯 性反馈和桩周围土的剪切作用，这种双重作用的效应使基础传输给上部结构的 地震能量相对于刚性地基有一定的减小。因此，桩基的动力特性越来越引起岩 土工程师和结构工程师们关注。 在桩一地基一结构体系中，如果改变基础形式，那么整个结构体系的频率、 阵型、自振周期都随之发生改变；支盘桩是一种具有良好的抗压、抗拔和抗扭 性能的桩型，若将传统的桩型换成支盘桩，那么整个结构体系的基频、阵型都 会发生改变。在地震作用下，高层结构因摆动而使基础一端受压、另一端受拉， 直杆桩的抗拉、抗压、及抗扭剪的能力较小，承受不了这种动荷载而导致建筑 物整体倾斜，甚至倾覆。新型挤扩支盘桩由于桩体中设置了多个盘，增大了桩 土的接触面，增强了桩一土的相互作用，减小了建筑物的摆动幅度，从而减轻了 震害。因此，研究支盘桩一土一上部结构动力相互作用中，有利于深入了解支盘 桩的动力特性，对优化高层结构抗震设计有着不可低估的作用。 1 3 支盘桩的特点和研究概况： 1 3 1 支盘桩的工程特点： 与普通灌注桩相比，挤扩支盘桩能充分利用桩身上下各部位的硬土层，从 而改变普通灌注桩的受力机理，变摩擦桩为摩擦端承桩，因此支盘桩具有明显 的优点i lj 。 ( 1 ) 竖向承载力成倍提高。大量的静载试验和研究表明 1 2 - 1 6 】，在相同土 质条件下，主桩径相同的支盘桩与直杆桩相比，其竖向承载力承载力提高一倍 以上，这是由于在受力时支盘发挥“端承作用，分担了大部分荷载。 ( 2 ) 具有良好的抗拔和减震耗能性能。由于支盘桩的受拉、受压面积大， 同时各支盘与土体相互嵌固较牢，使得桩一土系统的刚度大，在地震作用下支盘 桩一土一上部结构相互作用，共同抵抗地震荷载，其抗拔力及水平抗力都较高。 ( 3 ) 沉降量和上拔位移量均较小，特别适合对沉降量比较敏感的建筑。 ( 4 ) 施工工期短、经济效益明显。 1 3 2 课题在国内外的概况： 挤扩支盘桩是一种新型变截面桩。国内外学者通过理论分析、经验公式、 静载试验、有限元分析等手段对支盘桩的承载机理进行了研究，得出了许多有 用的结论。随着挤扩支盘桩在桩基工程中的大量应用，支盘桩的动力特性是一 项新的研究热点。 1 9 6 9 年印度学者m p h a n d i j 曾对多节扩孔桩进行过试验研究，并对桩的扩 大盘最佳间距的问题进行了探讨。从此，支盘桩开始进入工程技术人员的视野。 1 9 9 7 年史鸿林i l8 】( 淮河水利委员会) 通过在安徽阜阳地区进行的1 7 组试 桩原型载荷实验及计算，对新型挤扩分支桩的承载能力进行了计算分析和研究。 结果表明：同场地、相同桩长、相同桩径的挤扩分支桩是直杆灌注桩单桩竖 向承载力要提高一倍以上。 2 0 0 0 年吴永红【l9 】根据多支盘灌注桩的受力机理应用分层总和法计算沉降 量，提出了一种多支盘灌注桩基础沉降的理论和方法，包括单桩沉降计算和群 桩沉降计算的计算公式，并应用于天津市天宝大厦的沉降观测，理论计算和实 际观测吻合较好。 2 0 0 0 年吴兴龙，李光茂，魏章和【2 0 】通过对挤扩支盘桩的静载实验、桩身轴 力检测实验及高低应变动测实验的研究，论述了挤扩支盘桩的受力特性及变形 破坏机理，提出了支盘桩的单桩极限承载力经验公式，并指出了挤扩支盘桩的 大部分承载力由支盘的端阻分担。 2 0 0 3 年钱德玲教授【2 l 】( 合肥工业大学) 用分层总和法计算了桩端以下压缩 层范围内地基土的沉降，并根据抗拔试验首次导出了不同盘间距情况下支盘桩 抗拔承载力的计算公式，并结合工程实际，指出了支盘桩的抗拔承载力主要取 决于支盘阻力为支盘桩的抗拔设计提供了必要的理论依据。她认为： ( 1 ) 支盘桩的抗拔和抗浮能力比直杆桩更显著。 ( 2 ) 抗拔承载力的大小取决于支盘阻力的大小，支盘桩的上拔破坏将由支 盘阻力所控制。 ( 3 ) 作为抗拔结构时，为了充分发挥支盘桩的抗拔承载力，减小盘与盘之 间的应力叠加，支盘桩的临界间距要大于4 倍的主桩径。 2 0 0 3 年巨玉文等1 2 2 j 利用荷载传递函数进行0 - s 曲线的拟合；通过挤扩支盘 桩的单桩承载力计算分析，指出了支盘桩的承力特性具有明显的端承性质，揭 示了支盘桩承载机理和s 型o - s 曲线的内涵。 2 0 0 3 年钱永梅，尹新生等【23 】通过对支盘桩的小比例尺模型试验，研究了支 盘桩的破坏机理。结果表明，承力盘的形式影响桩周土的承载力；当多盘间距 合理时，符合单盘桩的土体破坏规律；当多盘桩间距较小时，土体破坏基本上 以盘端土体剪切破坏为主。 2 0 0 4 年张延庆，孙雅欣【2 4 】通过对挤扩支盘桩的水平承载特点有限元分析， 得出了支盘的设置显著地提高了桩的水平承载力的作用，支盘的角度和间距对 桩的承载力产生较大的影响，桩的水平承载力随支盘位置的下降而降低，相比普 通桩，支盘桩具有在同等条件下显著提高桩承受水平荷载的能力。 2 0 0 4 年沈保汉，陈轮等【2 习结合现场模型的静荷载试验，得出了支盘桩的荷 载传递曲线，并总结了荷载传递规律和侧阻力与端阻力的分配及发展规律。 2 0 0 4 年陈轮，蒋力，王海燕等但6 】通过研究支盘桩的现场静载荷试验，得出 了支盘桩的抗拔性能明显大于直杆桩，且单方混凝土承载力较高，随着桩顶荷 载的增加，承力盘分担的桩顶荷载的比例逐渐增加，在上拔过程中承力盘对上 方的土体有挤密效益。 2 0 0 5 年钱德玲，孙昌玲【2 7 】根据支盘桩抗压、抗拔及抗扭的性能提出了支盘 桩的耗能减震的性能。提出了由支盘桩代替直杆桩，组成支盘桩一地基一上部结 构体系，并对该体系进行理论分析。通过分析认为：支盘与阻尼器具有相似性 原理，盘在土体中的作位移极小的往复运动，提供了刚度和阻尼；消耗地震能 量；减轻了结构的地震反应。并针对该体系的抗震特性，提出了相应的计算分 析方法和模型实验方法。 2 0 0 6 年周敏【2 8 】采用有限元分析软件a n s y s 对竖向荷载作用下不同土体力 学参数对支盘桩荷载传递机理的影响进行了研究。结果表明：支、盘分担荷载 的比例受桩周土模量的影响，桩周土塑性区的贯通从下向上发展，在竖向荷载 达到一定数值时，支、盘上部与土体之间脱离，影响到一部分桩侧摩阻力的发 挥。 2 0 0 7 年高笑娟【2 9 】结合支盘桩静载荷试验，用三维有限元分析方法，研究了 支盘桩承力盘的位置、个数、间距、直径、桩长、桩径以及桩周土层的黏聚力、 内摩擦角、弹性模量、土层分布等因素对支盘桩的水平承载性状的影响规律。 2 0 0 8 年卢成原，贾颖栋，周玲【3o j 通过对支盘桩的模型试验，研究了重复荷 载作用下模型支盘在粉黏土中荷载传递特点，桩身不同位置压力变化的特点， 特别是对桩周土体对桩侧表面产生的摩擦力出现复杂变化的原因进行了分析， 研究结果表明，在不同强度的重复荷载作用下对桩的沉降变形的收敛影响很大。 目前，国内外对挤扩支盘桩在静荷载作用下抗压和抗拔性能的研究比较多， 但对支盘桩在地震作用下抗拔和减震耗能性能的研究尚未出现。本文着重对支 盘桩在地震作用下抗拔和减震耗能性能做了研究，对支盘桩理论研究的发展有 4 一定的前瞻性。 1 4 本文的主要研究内容 在桩一土一上部结构体系下，研究支盘桩的抗拔和减震耗能的性能是一个涉 及到土动力学、结构动力学、非线性振动理论、地震工程学、岩土及结构抗震 工程学、计算力学及有限元理论等众多学科的交叉性研究课题。待试验完成后， 本文以试验数据的处理分析为研究的基础，以有限元软件m a r c 为研究的工具。 本文的写作思路是通过有限元模型计算分析与试验的对照研究揭示支盘桩的抗 拔和减震耗能性能。 本文主要开展了如下几点的研究工作： ( 1 ) 振动台模型试验的设计及实验数据处理 在土、支盘桩、结构遵循相同的动力相似关系和振动台的设备承受能力前 提下设计制作了试验模型；在模型的适当位置安装各种量测仪器，在试验过程 中采集了一整套试验数据。 试验数据是信息的载体，对试验数据的分析处理、去伪存真是一项必不可 少的工作，本文主要从实验数据中调取了s 1 、a 1 、a 7 测点的加速度，又通过处 理数据得出了试验模型的阵型，为后期研究工作提供了第一手资料，又为验证 有限元模型计算结果的合理性和准确性提供了依据。 ( 2 ) 有限元模型的建模及模型验证 本文采用大型有限元软件m a r c 对支盘桩体系进行了有限元模拟，在建模过 程中，对网格的划分、对称性的利用、材料的非线性、桩土接触关系、模拟地 震波的加载等进行了研究。在运算过程中关注奇异比和收敛率的变化，再根据 计算结果与试验结果对比情况，进一步调整模型，使计算结果与试验结果较好 的吻合，从而保证了有限元模型的可靠性和精确性。同时，在相同条件下建立 直杆桩体系的有限元模型。 ( 3 ) 分析了支盘桩在x 向和x 、z 向地震作用下的桩土相互作用，桩受拉时， 盘底出现拉张现象，盘上土体出现拉“应力泡”，揭示了支盘桩的抗拔机理。 ( 4 ) 从计算分析和试验相结合的角度研究了两种桩型的桩土相互作用，主 要从桩身应变、桩身应力、桩土接触压力、桩土滑移等方面进行了分析，并对 其变化规律进行了总结。 ( 5 ) 将支盘桩体系和直杆桩体系的模拟结果进行对比分析，得出了支盘桩 具有较强的抗拔和抗震稳定性；通过对比调取两种桩型的累积阻尼能，得出了 支盘桩具有较强减震耗能的性能。 ( 6 ) 通过分析支盘桩的桩身应变云图和试验中桩身裂缝的分布，得出了桩 顶至第一支盘的范围是最易破坏的区域；并结合桩基的实际震害，指出支盘桩 在地震作用下最易出现的破坏形式是“剪断 ，并对支盘桩在高层抗震设计中的 应用提出了一些建议。 第二章振动台模型试验的设计与实现 2 1 引言 振动台模型试验一直是研究结构一地基相互作用问题的重要手段，它既能较 真实的再现地震过程中结构体系地震反应，又能为验证计算分析和理论研究的 提供科学依据，但是，由于受到振动台承载能力、土体的边界效应、小比例模 型材料的相似比关系等因素的制约，振动台模型试验需要经过专门的设计才能 取得理想的效果。 本文在国家自然科学基金项目( 4 0 7 7 2 17 1 ) 的资助下，在同济大学土木工程 防灾国家重点实验室，进行了支盘桩一土一高层结构动力相互作用体系的振动台 实验。试验数据的采集直接影响着试验的成败，试验中采用加速度计、应变计 和位移计量测桩一土一结构的动力响应，并在桩土界面上埋设土压力盒以量测桩 土接触压力，土中埋设孔隙水压力计量测孔隙水压力的变化情况，为后续的研 究工作提供了丰富的资料。 2 2 试验的目的和基本原则 2 2 1 试验的目的 支盘桩是一种新型的变截面桩，具有优良的工程特性，其相对于等截面桩 而言具有较高的承载力、良好的抗拔性能和较低的沉降量。本次试验的目的是 通过振动台模型试验，研究支盘桩在地震作用下抗拔和减震耗能性能以及支盘 桩一地基一高层结构体系动力相互作用的规律，对比研究相同上部结构条件下动 力相互作用体系与直杆桩结构体系的地震反应特性等。 2 2 2 试验的基本原则 ( 1 ) 试验强调支盘桩一土一上部结构之间遵循相同的相似关系； ( 2 ) 允许重力失真； ( 3 ) 控制动力荷载参数满足振动台性能参数的要求； ( 4 ) 模型设计和制作满足现场施工条件和实验室设备的要求。 2 3 试验装置的选择 2 3 1 地震模拟振动台 本试验在同济大学土木工程防灾国家重点实验室的振动台上进行。该设备 附带有数据采集功能。其具体性能参数见表2 - 1 。 表2 1 模拟地震振动台性能参数 6 性能 参数备注 最大试件质量 2 5 吨 台面尺寸 4 mx4 m 激振方向x 、y 、z 三向x 、y ：水平；z ：竖直 控制自由度六自由度 振动激励简谐振动、冲击、地震 x ：l o o m m 最大驱动位移 y 、z ：5 0 m m x ：1 0 0 0 m m s 最大驱动速度 y 、z - 6 0 0 m m s 最大驱动x 4 o g ( 空台) 、1 2 9 ( 1 5 t 负载) 加速度y 2 o g ( 空台) 、0 8 9 ( 1 5 t 负载) 负载2 5 t 时的数值将有 z 4 o g ( 空台) 、0 7 9 ( 1 5 t 负载) 所降低 频率范围 0 1 5 0 h z 数据采集系统s t e x 3 、9 6 通道 2 3 2 土体边界条件模拟和土箱的设计与制作 在实际工程中，土体是没有边界的。但在振动台试验中，振动台台面尺寸 和承载能力是有限的，加上其他试验条件的限制，决定了试验中土体范围是有 限的，只能用有限尺寸的容器来装模型土。容器边界上的波动反射以及体系振 动形态的变化将会给试验带来一定的误差，即所谓的“模型箱效应”。l 3 l j 因此， 如何合理模拟土体边界条件，减少模型箱效应，将相对误差控制在试验允许的 范围之内，对试验结果的可靠性具有关键性影响，因此，土箱的设计与制作就 显得十分重要。 从最新的研究成果来看，用柔性容器模拟无限域能较好的减小边界效应， 已被许多学者认可【8 9 】【3 z 】，即在振动方向的边界外合理加入橡胶层，能有效地 减小土层边界带来的误差。当取地基平面直径d 与结构平面尺寸d 之比d d 大于5 时，由侧向边界引起的数值计算结果的误差很小并趋于稳定。 本试验选用了直径3 米的圆桶形柔性容器作为土箱。圆桶侧壁采用厚5 m m 的橡胶膜，在圆桶外侧用4 6 0 的钢筋作圆周式加固，以使圆桶既具有一定的 刚度，又能够允许土体作层状水平剪切变形。圆桶通过螺栓与上部环形板和下 部底板连接。环形顶板由固定在底板上的四根柱支撑，柱中设置高度调节螺杆 以调节顶板水平和使圆桶体处于适当的状态。柱顶设置万向节，使环形板在振 动时可以侧向位移。在橡胶侧壁内侧制作凹凸表面，在钢底板板面上用环氧树 脂粘上碎石，使之成为粗糙表面，减少土与容器界面的相对滑移。下图为本次 试验所采用的柔性容器的的示意图和实体照片。 圈( a ) 土箱结构示意图图( b )土箱照片 幽2 1 试验用土箱结构示意图及照片 2 4 试验模型设计 2 41 试验模型的相似关系设计 根据本次试验的目的和基本原则，试验采用非原型材料忽略重力模型。在 综合考虑现有的试验条件、模型材料和施工工艺的前提下，选取一个单向双跨 的1 2 层钢筋混凝土框架为原型单元。本次试验模型的缩尺比例为1 ：】0 ，按 b o c k i n g h a m 定理进行试验模型的相似比设计，综台考虑振动台的承载能力、 相似关系和自重失真等因素，选取长度相似比为1 ：1 0 ，弹性模量相似比为1 ： 37 6 ，质量密度相似比为1 ：l ，进而推导出其他物理量之间的相似关系式和相 似系数1 ，见表2 - 2 。其中土体的弹性模量s 。和质量密度s 。与原状土相同。 表2 - 2 模型主要物理量的动力相似系数 相似系数 原型模型相似系数 原型模型 k 度s ， 质量密度s 线位移 最= s ，质量s 。= s 。s ； 1 0 0 0 角位移鼬霞 sk = s es 【 面积 s 。= 酬 时目 s = 帆s , i 弹性模晕s ，37 6 0频率 豇01 9 4 赶如 s 。= se 阻尼 s ，= s 。，s 1 9 39 应变只速度 s 。= 只s , 泊松比加速度s = 只，印 03 7 6 2 4 2 试验模型的结构设计 考虑到振动台的承载能力，本试验土层设计总厚度为1 6 米。根据土箱直 径与模型平面尺寸之比为5 ，选择结构平面尺寸为0 6 8 mx0 5 8 m 。本试验的上 部结构采用双向单跨1 2 层钢筋混凝土框架，其平面尺寸为6 8 m 5 8 m ，制成 模型后平面尺寸为0 6 8 m 0 5 8 m 。原型与模型的尺寸情况见表2 - 3 。 表2 3 原型与模型的尺寸情况 项目原型模型数量位置 框架层数 1 21 2 f 框架层高3 m0 3 m| 框架总高 3 6 m3 6 mf 框架柱网 6 m 3 6 mx20 6 m 0 3 6 r e x2 f 框架梁截面( 宽x 高) 3 0 0 r a m 6 0 0 r a m3 0 r a m 6 0 r a m 5 1 2 根 框架柱截面 5 0 0 m m 5 0 0 r a m5 0 r a mx5 0 r a m6x1 2 根 楼板板厚