CN111553107B - 可液化场地桩基随机地震反应分析与安全评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了可液化场地桩基随机地震反应分析与安全评价方法，包括如下步骤：计算生成随机地震动加速度过程的代表性时程样本集合根据规范反应谱对代表性时程样本集合进行修正；建立可液化场地‑桩基础整体有限元模型；将代表性地震动加速度时程样本输入有限元模型，完成桩基和场地土在随机地震动中的分析评价。本发明通过选取一定数量的随机地震动的加速度时程，输入可液化场地‑桩基础整体有限元模型，完成可液化场地‑桩基础地震反应分析，并作出概率安全性评价，为桩基基于性态抗震设计提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及地震动分析评价技术领域，具体涉及一种可液化场地桩基随机地震反应分析与安全评价方法。
背景技术
地震引起场地土液化，产生不均匀沉降、侧向变形、流滑等震害形式，是桩基础震害的主要原因。1964年日本新泻地震，大量桩基础在在液化区和非液化区分界处产生过大位移，桩基础在该区域产生严重的损坏；1976年唐山大地震，天津新港海洋石油研究所某厂房所在场地发生了液化侧向扩展，桩基承台产生了过大的侧向位移，开挖后的基桩出现了大量的裂缝；1995年日本神户地震，地基液化导致西宫港大桥桩基础产生过量的侧向位移。液化场地桩土动力相互作用分析对于工程结构抗震研究具有重要意义，受到国内外学者的关注。Wilson、唐亮、凌贤长分别进行离心机振动台、振动台试验研究了液化场地桩基动力相互作用及地震反应特性。许成顺、杜修力等采用大型振动台系列试验研究了可液化场地-非液化场地在水平地震动激励下桩-土-结构动力相互作用。Ross W.Boulanger、Varun采用动力非线性p-y模型对桩土离心机振动台模型试验进行数值模拟分析。王睿、张建民、ZhaoCheng、黄雨等采用三维非线性有限元方法对液化场地桩基进行了数值模拟，分析了桩周土和桩基的动力反应。王晓伟采用OpenSees程序建立了桩-土-桥墩二维整体有限元模型，分析影响液化场地桥梁结构地震反应的控制性参数。上述方法属于确定性分析方法，采用确定性的地震加速度记录作为输入，进行场地-桩基地震反应动力时程分析。
地震动的产生具有随机性和不确定性的特性，可以看成是随机过程的一次样本函数实现；在此随机地震动激励作用下，场地-桩基的地震反应具有随机性，因此采用随机过程理论对地震动进行描述，并采用随机振动理论分析场地-桩基的地震反应更为合理。王志华等应用非平稳随机地震动模型和虚拟激励法，分析了大型桥梁桥墩-桩基-土及桩基-土的动力响应。周爱红等基于虚拟激励法、等效线性化方法进行了桩-土体系随机地震响应分析和参数敏感性分析。可液化场地土地震反应时表现出强烈的非线性，而虚拟激励法适合于线性***的随机振动分析；同时，等效线性化方法在整个地震动持时期间内采用不变的剪切模量和阻尼比，不能反映土体刚度的实际变化，基于等效线性化方法和虚拟激励法的随机地震反应分析方法不适合液化场地单桩基础随机地震反应分析。近年来，同济大学李杰和陈建兵教授团队提出的概率密度演化理论已成功地应用于各种复杂结构和岩土工程的非线性随机动力分析，因此，有必要采用反映土体液化非线性变形特性模型和概率密度演化理论对液化场地-桩基进行随机地震反应分析，并进行概率性评价。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可液化场地桩基随机地震反应分析与安全评价方法，能够对可液化场地进行更精确的分析，作出概率安全性评价。
为了解决上述技术问题，本发明提供了可液化场地桩基随机地震反应分析与安全评价方法，包括如下步骤：
(1)计算生成随机地震动加速度过程的代表性时程样本集合
(2)判断代表性时程样本集合的平均反应谱/>与规范反应谱之间的误差是否符合规定，若符合，则输出代表性地震动加速度时程样本集合，若不符合，则进入步骤(3)；
(3)对演变功率谱密度进行修正，而后重复步骤(1)-(2)；
(4)根据离心机试验数据，基于OpenSees平台建立可液化场地-桩基础整体有限元模型；
(5)将步骤(2)输出的代表性地震动加速度时程样本输入步骤(4)的有限元模型，完成场地土和桩基在随机地震动中的分析评价。
进一步的，步骤(1)中的代表性时程样本集合基于Priesley非平稳随机过程演变谱表示理论得出。
进一步的，步骤(1)中的地震动加速度过程的代表性时程由公式1计算得出：
其中ωn＝nΔω。
进一步的，{Xn,Yn}(n＝1,2,…N)为基于随机变量函数生成映射的标准正交随机变量，其中，随机变量Θ在[-π,π]间服从均匀分布，/>为任意常量。
进一步的，步骤(3)中对演变功率谱密度的修正通过公式2实现：
其中ωc为截止频率。
进一步的，步骤(2)中输出的代表性地震动样本至少有100条。
进一步的，步骤(5)中对输出的代表性地震动加速度时程样本进行反演得到基岩加速度记录。
进一步的，分析单桩在随机地震动反应中的概率信息。
进一步的，分析场地土在随机地震动反应中的分布信息。
进一步的，分析场地土在随机地震动反应中的概率信息。
本发明的可液化场地桩基随机地震反应分析与安全评价方法与现有技术相比的有益效果是，通过选取一定数量的随机地震动的加速度时程，输入可液化场地-桩基础整体有限元模型，完成可液化场地-桩基础随机地震反应分析，并作出概率安全性评价，为桩基基于性态抗震设计提供依据。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2a、2b、2c、2d、2e、2f是本发明的单桩基础随机地震反应概率信息；
图3a、3b是本发明的场地土随机地震反应分布；
图4a、4b、4c、4d、4e、4f是本发明的场地土随机地震反应概率信息。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1所示，为本发明的可液化场地桩基随机地震反应分析与安全评价方法的流程图，包括如下步骤：
(1)计算生成随机地震动加速度过程的代表性时程样本集合
(2)判断代表性时程样本集合的平均反应谱/>与规范反应谱之间的误差是否符合规定，若符合，则输出代表性地震动加速度时程样本集合，若不符合，则进入步骤(3)；
(3)对演变功率谱密度进行修正，而后重复步骤(1)-(2)；
(4)根据离心机试验数据，基于OpenSees平台建立可液化场地-桩基础整体有限元模型；
(5)将步骤(2)输出的代表性地震动加速度时程样本输入步骤(4)的有限元模型，完成场地土和桩基在随机地震动中的分析评价。
本发明以可液化场地单桩随机地震动反应为例，代表性时程样本集合基于Priesley非平稳随机过程演变谱表示理论得出，具体可以表示为：
其中ωn＝nΔω，Xn,Yn(n＝1,2,…N)为标准正交随机变量，为随机地震动加速度过程单边的演变功率谱密度。/>由公式：
得出，A(t,ω)为时频调制函数，G(ω)为平稳地震动加速度过程的单边功率谱密度。G(ω)由公式
得出，其中，S0为谱强度因子，ωg、ωf分别为场地土、基岩卓越圆频率，ζg、ζf分别为场地土、基岩阻尼比。
根据代表性时程样本集合能够计算出平均反应谱/>《建筑抗震设计规范》中规定了规范反应谱/>平均反应谱/>和规范反应谱之间存在拟合误差，为满足《建筑抗震设计规范》中对目标反应谱的要求，需要对平均反应谱/>进行修正，平均反应谱由代表性时程样本集合计算得出，代表性时程样本集合由演变功率谱密度得出，因此需要对演变功率谱密度进行修正。具体修正公式参照公式2：
其中ωc为截止频率。
进一步的，为生成标准正交随机变量，以满足随机地震动加速度时程的产生，本发明基于随机变量函数生成随机函数变量将随机函数变量/>映射为标准正交随机变量{Xn,Yn}(n＝1,2,…N)，其中，随机变量Θ在[-π,π]间服从均匀分布，/>为任意常量。本发明采用非平稳过程的谱表示-随机函数方法生成了非平稳随机地震动加速度时程记录，再经过修正使其符合《建筑抗震设计规范》的目标反应谱，从而得到的代表性随机地震动加速度时程集合/>即可作为地表加速度时程记录。由于代表性时程样本集合由随机变量生成，可以有无数条记录，但当数量过大，进行分析评价时计算量过大，为方便计算同时保证能够体现具体的随机性特征，本发明随机输出至少100条代表性时程记录，具体的，本发明中选取144条时程记录。
现有技术中的有限元模型一般为确定性的地震动数值模拟模型，本实施例中为模拟可液化场地单桩随机地震动反应，根据离心机试验数据，基于OpenSees平台建立可液化场地-桩基础整体有限元模型。具体的，采用OpenSees材料库中的Pressure Depend MultiYield 02模型，弹性梁单元模拟桩基，quad Up单元模拟砂土，左右侧等高处节点采用EqualDOF命令进行约束，底部采用加速度边界，采用zero-length单元分别连接桩和土体节点，将Pyliq1与Tzliq1材料赋予zero-length单元，模拟桩土之间的动力相互作用。通过对数值模拟和离心机试验数据中桩身弯矩、孔隙水压力、土层加速度时程变化的对比，确定本发明的有限元模型。
将上述得到的144条时程记录，输入上述可液化场地-桩基础整体有限元模型，对不同的信息进行分析评价，能够保证对随机地震动的模拟精度，从而保证分析评价的准确性和可靠性，为桩基基于性态抗震设计提供依据。
本发明以8度抗震设防烈度，II类场地，设计基本加速度为0.2g，水平地震动影响系数最大值αmax＝0.45，代表性地震动加速度时程时间步长Δt＝0.01s,截断项数N＝1600,频率间隔Δω＝0.15rad/s,场地土特征周期Tg＝0.4s,ωg＝15.71s-1,ζg＝0.72,ωf＝0.1ωg,ζf＝ζg为例，进行分析评价。
由于本实施例中得到的代表性时程样本集合为地表处加速度记录，为分别反映单桩桩顶和底部基岩的地震反应，本实施例中对输出的代表性地震动加速度时程样本基于层状场地土层和基岩半空间精确动力刚度矩阵进行反演，得到基岩加速度记录。
分析单桩在随机地震动反应中的概率信息。具体的，定义反应谱放大系数α＝S桩顶/S基岩，其中S桩顶、S基岩分别为阻尼比0.05时桩顶、基岩处加速度反应谱值，计算反应谱放大系数α的概率密度。将本实施例中的反应谱放大系数α的概率密度、代表性加速度时程样本、基岩加速度记录带入本发明的有限元模型中，能够得到周期0.5s-1.5处的反应谱放大系数α概率密度演化曲面(参照图2(a))、概率密度等值线(参照图2(b))、桩身最大弯矩包络图(参照图2(c))，桩身最大水平位移包络图(参照图2(d))、桩顶水平位移等效极值事件概率密度函数(参照图2(e))、桩顶水平位移等效极值事件概率分布(参照图2(f))，其中图2(f)等价极值事件分布函数(CDF)即为动力可靠度。由上述图表可以得知：桩顶反应谱放大系数的概率密度函数是非规则曲线，本实施例中桩身的最大弯矩出现在松砂层2.6m，桩身的最大水平位移出现在桩顶位置，当桩顶水平位移达到10.6cm时，其动力可靠度为95％。
分析场地土在随机地震动反应中的分布信息。具体的，将本实施例中的代表性加速度时程样本带入本发明的有限元模型，分析本实施例中的场地土剪应力-剪应变、超静孔压比，得出场地土剪应力-剪应变滞回曲线(参照图3(a))、超静孔压比分布(参照图3(b))。由上述图表可以得知：可液化场地地震反应表现出强烈的非线性特征，孔隙水压力上升、土体有效应力减小、砂土剪切刚度减小；松砂层剪应力-剪应变滞回曲线比较饱满，而且超静孔压比达到0.8以上，说明部分松砂层进入液化状态，桩身上部因而失去桩周土侧向抗力，增大桩身弯矩和桩身变形；密砂层剪应力-剪应变滞回曲线呈梭形，超静孔压比在0.4以下，表明密砂层尚未进入液化状态。
分析场地土在随机地震动反应中的概率信息。具体的，将本实施例中的代表性加速度时程样本带入本发明的有限元模型，分析本实施例中的地表沉降概率密度、地表水平最大侧移、地表沉降概率密度和累积概率，得出地表沉降概率密度函数曲面(参照图4(a))、地表沉降概率密度等值线(参照图4(b))、地表水平位移等效极值事件概率密度(参照图4(c))、地表水平位移等效极值事件概率分布(参照图4(d))、地表沉降等效极值事件概率密度(参照图4(e))和地表沉降等效极值事件概率分布(参照图4(f))。由上述图表可以得知：地表沉降概率密度演化函数随着时而演化，不同时刻具有不同的形式，具有多峰山脉的特征，本实施例中地表水平侧移主要分布在[1,4]cm之间，动力可靠度达到95％的地表水平侧移限值为3.3cm；地表沉降主要分布在[1,1.5]cm之间，动力可靠度达到95％的地表沉降限值为1.5cm。
本发明通过选取一定数量的随机地震动的加速度时程，输入可液化场地-桩基础整体有限元模型，完成可液化场地-桩基础随机地震反应分析流程、获得桩基和场地土地震反应概率信息，建立概率安全性评价方法，并作出概率安全性评价，为桩基基于性态抗震设计提供依据。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (5)
1.一种可液化场地桩基随机地震反应分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）计算生成随机地震动加速度过程的代表性时程样本集合，代表性时程样本集合为地表处加速度记录；
（2）判断代表性时程样本集合的平均反应谱/>与规范反应谱之间的误差是否符合规定，若符合，则输出代表性地震动加速度时程样本集合，若不符合，则进入步骤（3）；
（3）对演变功率谱密度进行修正，而后重复步骤（1）-（2）；
（4）根据离心机试验数据，基于OpenSees平台建立可液化场地-桩基础整体有限元模型；
（5）将步骤（2）输出的代表性地震动加速度时程样本输入步骤（4）的有限元模型，完成场地土和桩基在随机地震动中的分析评价，包括：分析场地土在随机地震动反应中的分布信息；分析场地土在随机地震动反应中的概率信息；定义反应谱放大系数α＝S桩顶/S基岩，其中S桩顶、S基岩分别为阻尼比0.05时桩顶、基岩处加速度反应谱值，计算反应谱放大系数α的概率密度，对输出的代表性地震动加速度时程样本基于层状场地土层和基岩半空间精确动力刚度矩阵进行反演得到基岩加速度记录，根据反应谱放大系数α的概率密度、基岩加速度记录分析单桩在随机地震动反应中的概率信息，得知：桩顶反应谱放大系数的概率密度函数是非规则曲线。
2.如权利要求1所述的可液化场地桩基随机地震反应分析方法，其特征在于，步骤（1）中的代表性时程样本集合基于Priestley非平稳随机过程演变谱表示理论得出：
......1
其中，为单边的演变功率谱密度，/>，Δω为频率间隔，/>，其中，为标准正交随机变量。
3.如权利要求1所述的可液化场地桩基随机地震反应分析方法，其特征在于，，其中，/>，为基于随机变量函数/>，其中/>，生成映射的标准正交随机变量，其中，随机变量/>在/>间服从均匀分布，/>为任意常量。
4.如权利要求1所述的可液化场地桩基随机地震反应分析方法，其特征在于，步骤（3）中对演变功率谱密度的修正通过公式2实现：
......2
其中，为截止频率。
5.如权利要求1所述的可液化场地桩基随机地震反应分析方法，其特征在于，步骤（2）中输出的代表性地震动样本有100条。
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| CN111553107A (zh) | 2020-08-18 |
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Legal Events
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