摘要:结构抗震设计中,土与结构的相互作用(SSI)是一个难题,计算模型中不可随意简化;联系各国有关土与结构相互作用效应规定的抗震规范,提出结构中常见的桩基础抗震设计理念及思路,并对模型的人工边界进行了讨论;工程应用表明,新型结构支盘桩对结构抗震有较好的效果。
关键词:结构抗震;土与结构相互作用;桩—土作用;支盘桩
一、概述
土与结构相互作用(SSI)体系的研究最早于上世纪30年代从机械基础振动问题开始,特别是50年代后,核电站、大型水坝、大型桥涵、海洋结构、地下工程及超高建筑等的修建,相关研究蓬勃发展。此类结构重量大、刚度大,同时跨度大,而地基相对柔性,刚性地基假设不再合理,因此需计入土—结构相互作用的影响[1]。
SSI体系的研究因土体的复杂性、离散性难度很大,制约了研究成果的工程应用。SSI可能放大结构响应,产生不利影响,但也可能会降低结构响应。对该问题的研究具有双重意义:结构在遭遇地震时的安全性及结构设计的经济性。相关研究内容归纳为:自由场地的地震反应、基础地震响应、土与结构相互作用的计算模型及分析方法的研究。近20年来,SSI问题的研究主要体现在结构和土体动力非线性特性的考虑、人工边界的研究、土与结构之间接触非线性的研究等。
二、各国有关SSI效应的抗震规范
过去,考虑SSI效应的主要是与核安全有关的抗震设计规范、标准。对一般工程结构,多数规范只作粗略规定,如法国抗震规范,对具有深基础的结构物,其地震力为浅基础的0.9倍,即折减系数取0.9;希腊抗震规范规定,深基础的地震力为浅基础时的0.83～0.91倍,基础刚度大时为刚度小时的0.77～0.82倍;中国《建筑抗震设计规范》[2]规定:结构抗震计算,可不考虑地基与结构动力相互作用的影响;Ⅲ、Ⅳ类场地上,采用箱基和筏基的钢筋混凝土高层建筑,若考虑地基与结构动力相互作用的影响,按刚性地基假定分析的水平地震作用,可根据结构和场地不同折减10%～20%;在日本,建议作用在桩头上的水平地震作用按下式折减:
最大折减量为70%。H为上部结构高度,Df为基础深度。
目前,在抗震设计规范中对考虑SSI效应作出具体规定的只有美国ATC3—06[3],采用美国学者Veletsos(1977)建议的方法,主要内容为:
(1)SSI的效应主要影响体系的基本振型特征;考虑SSI效应的体系基本自振周期较基于刚性地基假定的上部结构有所延长,阻尼比较基于刚性地基假定的上部结构增大;
(2)SSI的效应可通过将土—结构体系用刚性地基上的等效结构来代替加以考虑。
该方法对工程实际应用看起来是很方便的,只要对现有不考虑SSI效应的输入地面运动特征过程计入阻尼修正系数,用等效周期T1′代替刚性地基假定下结构的基本自振周期T1即可。但该方法对我国结构抗震设计仍显复杂,因为确定SSI体系的基本周期T1′需首先确定刚性基础上结构的刚度和阻尼比、地基弹簧的平移与回转刚度、地基阻尼比。而实际工程结构地基、基础形式各异,以上参数值很难得到,要确定T1′很困难。
三、考虑桩—土相互作用的抗震研究
3.1 地震引起桩基破坏的主要原因
大型结构中桩基础是广泛采用的形式,也是最容易受到地震破坏的构件之一。引起桩基破坏的主要原因有2个:土层的非线性特征是控制土动力作用的重要因素,由地震波引起的土层剪切变形造成桩基剪切及弯曲破坏;桩—土的相互作用会引起结构自振周期增大,当结构振动的自振频率与地面运动的卓越频率接近时,结构会由于惯性力过大而破坏。要研究在强烈地震作用下桥梁结构整体的抗震性能,桩—土作用不容忽视。
3.2 桩—土相互作用的问题研究方法
桩—土相互作用问题复杂,计算参数多。工程中有以下模型:SR模型(Swing-Rocking Model)、集中质量模型(Penzien模型)、桩～土连续梁模型和有限元模型,还有求理论解的方法、有限差分法、边界元方法等。孙利民[4]对Penzien 模型进行改进(图3-1),将桩基础由单桩变为多桩模型,桩的数量与实际结构相同或适当并桩;桩与桩之间不发生相对水平位移,桩间水平方向以刚性杆相联;转动刚度直接由结构提供,不需另外增加等效抗转动弹簧;同时增加了自由场地模型,使Penzien 模型的多点输入问题变为由基岩输入的动力反应问题。
随着计算机的发展,国内外学者一般根据某一个实际工程,利用有限元软件建立结构、桩基及土的三维有限元模型来分析桩—土的相互作用对结构的影响。张博[5]以覆土层厚60m、主跨85m的桩承墩基钢管混凝土拱桥为对象,建立三维有限元模型。地基土为服从Drucker-prager屈服准则的弹塑性模型,采用接触对方法模拟土与桩侧面的相互作用。结果表明,考虑桩-土相互作用后,截面应力一般有所下降;桩土接触存在非线性,而假设的桩土位移一致性与实际情况有差别。陈星烨[6]用Pushover方法针对连续刚构桥梁建立了考虑桩—土相互作用与不计桩—土作用的计算模型。结果表明,考虑桩—土作用对结构的能力曲线和目标位移影响较大,不可忽视;对塑性铰出现在隐蔽部分的问题提出了解决方法。叶梅新[7]以跨浅海水道连续桥为对象,采用质量弹簧体系模拟基础和地基,分别建立考虑桩—土—结构作用的全桩模型、将基岩中桩截去且考虑相互作用的截桩模型和不考虑相互作用的无桩模型。结果表明,桩—土—结构相互作用对桥梁动特性影响较大,使结构变柔,自振周期延长,振型特点发生改变;但对于桥梁的某些构件,忽略相互作用并不总是偏安全的。
桩—土—结构相互作用可以理解为自由场地的地震反应叠加考虑土体对桩基约束作用的多点激励的桥梁结构地震反应。基于这一理解,可采用集中质量法进行研究:将桥梁上部结构多质點体系和桩—土体系的质量联合作为一个整体,建立整体耦联的地震振动微分方程组进行求解。
3.2 土液化现象对桩基的影响
对于防止土的液化影响,文献[2]采用综合法。根据液化土层是否分担承载力分两种情形考虑,取其中不利者作为桩基设计的依据,桩的竖向和水平承载力计算均考虑了液化影响折减系数。该法适用于存在液化土层的低承台桩基抗震验算。
(1)桩承受全部地震作用,桩承载力按非液化土中桩基承载力取用,液化土水平抗力按表3-1折减。地面加速度最大时刻土尚未充分液化,只是刚度有所下降,因此可对液化土的刚度作折减。
(2)假定液化层全部液化,但仍有较小水平地震作用于桩基,桩水平承载力特征值提高25%。考虑到液化土层全部液化后的较低水平地震作用(水平地震影响系数最大值10%取用),验算原则在前一种情况的基础上,按静力荷载组合校核桩身的强度与承载力。
经过近几年国内外液化问题的研究,规范逐渐过渡到考虑地震和液化实际物理力学过程及出现概率的计算阶段。
3.3 液化土中桩基抗震设计
国内外处理液化土中桩基的抗震设计问题,简单的将液化土层的水平承载力取为零,目前海洋工程设计即是如此。此法结果偏于保守,特别是承台下可液化土层厚度大时,桩内配筋量很高。70年代以来工程界一直在寻求的新设计方法[8]。
文献[9]提出对液化土层的侧抗力按层位和液化安全系数进行折减,液化土的承载力视液化土层深度及物理状态的不同,在桩的水平力抗震验算中(我国规范一般采用m法,日本规范用常数法计算)将液化土的变形模量E乘以0～1的折减系数DE。
在桩基抗震设计中,以下两个问题值得深入探讨:
(1)土层交接面处设计
震害实录与数值分析证实,地震时土层刚度突变处桩身弯矩和剪力都很大,极易引起桩的破坏。宫本裕司[10]分析阪神地震后高层建筑下液化土中的桩基,认为土层运动产生的桩身内力以土层的刚度变化处为最大,地震动越强影响越明显。由于m法或常数法只考虑桩顶的水平力而不考虑土层运动的影响,因此地震动越强,桩身内力误差越大。目前规范一般仅进行修正,如《建筑抗震设计规范》规定,液化土中的桩的配筋范围应自桩顶至液化深度以下符合全部消除液化沉陷所要求的深度,纵向钢筋应与桩顶部相同,箍筋应加密。通过相对有效的构造措施,保证软土或易液化土层附近桩身的抗弯和抗剪能力。
(2)桩的竖向承载校核
桩的竖向承载校核,在地震力很小(地震影响系数最大值的10%)及震后验算时,液化土层的桩周摩阻力取零,同时须扣除承台下2 m深度内的非液化土的摩阻力。地震时桩轴向力忽大忽小,甚至出现上拔力,在校核桩的竖向承载力时对液化土的桩周摩阻力作适当折减;地震后,虽然地震作用消失,但液化土的强度并未恢复,因此校核震后的桩承载力很有必要,但至今除我国的某些抗震规范提出此要求外,未见其他国家有明确的要求。
四、SSI体系人工边界的选取
SSI体系的动力分析中,人工边界的模拟与选取直接影响体系的分析结果。人工边界模拟方法众多,目前对于不同人工边界在各种计算条件下模拟效果的比较研究不多。对于不同地区、不同土质情况下选择合适的人工边界,应作进一步的比较,以期得出适合本地区SSI体系的人工边界。方志[11]探讨了目前工程中应用广泛的几种人工边界在冲击荷载和正弦激励等外荷载输入下介质的动力反应,分析了人工边界的计算效果及稳定性的影响因素,并结合上海地区土体性质指出了适合本地区SSI体系模拟计算的人工边界条件。另外,在采用有限域来模拟无限域的动力计算中,人工边界的选取决定了SSI体系动力模拟结果的精确性和稳定性。
五、SSI体系抗震结构——挤扩支盘桩
地震时结构、桩基础和土组成一个复杂的动力系统,可视为一个整体进行动力相互作用分析。新型挤扩支盘桩是我国上世纪90年代发明的新桩型。特殊的施工工艺使得这种变截面桩承载力高、沉降量小、造价低,通过近10年上百座大型结构的应用,日益受到青睐。
在地震作用下,结构易产生扭曲振动、整体倾斜、开裂,土的塑性变形引起基础转动等灾害[12]。从桩—土相互作用看,基础一侧受压,另一侧受拔。直杆桩的拉拔、压扭及剪力的阻抗作用较小,而挤扩支盘桩桩体中设置了多级盘(图5-1),支盘像伞一样支撑于土体,能将上部结构反馈到基础部分的能量以弹性波的形式耗散到土层中。若支盘桩与箱基或筏基组合成复合基础,传递剪力的能力增强,桩与桩间土组成一个共同承担外荷载的桩—土体系,基础整体刚度增强,結构振幅减小,从而减轻震灾。
直杆桩体系是滞回耗能Eh消耗结构输入的能量,而支盘桩体系当主体结构处于弹塑性状态前已进入耗能工作状态,耗散地震能量,结构本身需消耗的能量很少,有效地保护了主体结构,使其受到较小的损伤 [13]。钱德玲[14]对该体系进行了理论分析,认为支盘与阻尼器具有相似性,在地震作用下,盘在土体中作位移极小的往复运动,提供刚度和阻尼,消耗地震能量,减轻结构的地震反应。
小结
在地震动过程中,上部结构将部分能量以振动波的形式通过基础反馈到地基中,基础和地基吸收、耗散一部分能量,上部结构的振动幅值(或位移)减小。土—基础—上部结构动力的相互作用与刚性地基上的结构反应不同,结构的自振周期延长,阻尼增大,同时改变地基土的运动特性。
SSI问题的研究涉及岩土力学与结构动力学。随着计算机和有限元等数值方法的出现,这一课题得到了广泛而深入的研究,一些研究成果已经应用于工程,但目前仍有许多问题需要解决,如地震作用的输入问题;非线性相互作用问题;地基材料的阻尼机制问题;多相介质的相互作用问题,如土—水—结构、饱和土—结构相互作用问题;强震观测验证问题等。现阶段研究的最大困难是缺乏必要的实际数据,分析中存在很多的不确定性,限制了其在实际工程设计中的应用,非常重要的就是进行大比例尺模型的现场试验以及模型和实际结构物的地震观测。
从材料本身来说,在动力作用下,土及结构材料表现出非线性,考虑非线性将更加符合结构体系的实际工作状态。土的非线性模型和土—结构界面的模型化,包括两者参数的确定,是深入研究SSI作用非线性的两个先决条件。
参考文献:
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