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可液化场地高桩桥梁振动台模型试验研究

徐丹 杜春波 王涛 MohantyPiyush

徐丹, 杜春波, 王涛, MohantyPiyush. 可液化场地高桩桥梁振动台模型试验研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 168-171. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S031
引用本文: 徐丹, 杜春波, 王涛, MohantyPiyush. 可液化场地高桩桥梁振动台模型试验研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 168-171. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S031
Dan XU, Chun-bo DU, Tao WANG, Piyush Mohanty. SHAKING TABLE TEST ON ELEVATED PILE BRIDGES IN LIQUEFIABLE GROUND[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 168-171. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S031
Citation: Dan XU, Chun-bo DU, Tao WANG, Piyush Mohanty. SHAKING TABLE TEST ON ELEVATED PILE BRIDGES IN LIQUEFIABLE GROUND[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 168-171. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S031

可液化场地高桩桥梁振动台模型试验研究

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S031
基金项目: 国家自然科学基金项目(51678538,51878630)
详细信息
    作者简介:

    徐 丹(1993−),男,安徽人,博士生,主要从事于结构工程、混合试验技术研究(E-mail: xudan_iem@yeah.net)

    杜春波(1995−),男,安徽人,硕士生,主要从事于结构工程、混合试验技术研究(Email: duchunbo_iem@163.com)

    Piyush Mohanty (1988 − ),男,印度人,博士生,主要从事于场地液化研究. (Email: pyushmohanty@gmail.com)

    通讯作者: 王 涛(1977−),男,山东人,研究员,博士,主要从事结构抗震试验方法、结构工程等方面的研究(E-mail: wangtao@iem.ac.cn)
  • 中图分类号: TU441.7

SHAKING TABLE TEST ON ELEVATED PILE BRIDGES IN LIQUEFIABLE GROUND

图(9) / 表ll (1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-05-01
  • 修回日期:  2020-01-07
  • 网络出版日期:  2020-06-01
  • 刊出日期:  2020-06-01

可液化场地高桩桥梁振动台模型试验研究

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S031
    基金项目:  国家自然科学基金项目(51678538,51878630)
    作者简介:

    徐 丹(1993−),男,安徽人,博士生,主要从事于结构工程、混合试验技术研究(E-mail: xudan_iem@yeah.net)

    杜春波(1995−),男,安徽人,硕士生,主要从事于结构工程、混合试验技术研究(Email: duchunbo_iem@163.com)

    Piyush Mohanty (1988 − ),男,印度人,博士生,主要从事于场地液化研究. (Email: pyushmohanty@gmail.com)

    通讯作者: 王 涛(1977−),男,山东人,研究员,博士,主要从事结构抗震试验方法、结构工程等方面的研究(E-mail: wangtao@iem.ac.cn)
  • 中图分类号: TU441.7

摘要: 高桩桥梁受地震影响较大,特别是在可液化场地,以唐山地震中倒塌的胜利桥为原型,进行1∶14.44缩尺模型振动台试验。通过连续的白噪声信号,获得桩自振频率的变化,从而研究可液化场地高桩桥梁的倒塌机制。结果表明,振动台试验可以很好地再现液化宏观现象,随着液化深度的加深,桩自振频率不断减小,从而导致桩顶位移增大,进而可能导致桥梁破坏甚至倒塌。

English Abstract

徐丹, 杜春波, 王涛, MohantyPiyush. 可液化场地高桩桥梁振动台模型试验研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 168-171. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S031
引用本文: 徐丹, 杜春波, 王涛, MohantyPiyush. 可液化场地高桩桥梁振动台模型试验研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 168-171. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S031
Dan XU, Chun-bo DU, Tao WANG, Piyush Mohanty. SHAKING TABLE TEST ON ELEVATED PILE BRIDGES IN LIQUEFIABLE GROUND[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 168-171. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S031
Citation: Dan XU, Chun-bo DU, Tao WANG, Piyush Mohanty. SHAKING TABLE TEST ON ELEVATED PILE BRIDGES IN LIQUEFIABLE GROUND[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 168-171. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S031
  • 在1964年日本发生新泻(Niigata)地震[1]中,严重的土壤液化现象引起世界各国研究人员的关注,液化引起的地面变形可能导致严重的基础设施破坏,在历次地震震害的调查中,许多桩基建筑物的破坏与场地液化有着直接关系[2-4],尤其在日本1995年发生的阪神(Kobe)大地震中,大量的桩基由于基础发生液化而造成破坏[5],因此,在可液化场地研究桩基-土-桥梁结构在地震中的相互作用具有重要意义。

    大型振动台试验由于能够再现地震过程,在液化场地桥梁结构的抗震试验研究中得到了广泛的应用,并取得丰硕的成果[6-11]。之前的研究很好地再现了液化场地桩-土-桥梁结构动力相互作用规律,但是,对于地震过程中桥梁本身自振频率变化的研究相对匮乏,目前公认的对于桥梁倒塌的因素有:1) 强烈的地震作用下的惯性作用;2) 场地液化后土的侧向移动施加在桩基的侧向力。而Bhattacharya等[12]对在日本新泻地震中倒塌的Showa桥的研究中发现场地液化后桥梁导致自振周期延长(埋深变化),引起了桥梁与地面运动的共振可能会导致桥梁倒塌,这为液化场地桥梁的倒塌机制研究打开了新的思路。高承台桩基桥梁由于桩身自由长度较大,在液化场地,地震作用下极易引起桩基破坏、甚至桥梁结构坍塌[13]

    本文以唐山地震中倒塌的胜利桥为原型,设计了群/独桩-承台-桥梁结构1:14.44缩尺试验模型,并在中国地震局工程力学研究所恢先地震工程综合实验室进行振动台试验,通过输入连续的白噪声信号(0.035 g、0.08 g、0.15 g、0.2 g),研究液化场地桩-土-桥梁结构在地震相互作用规律。

    • 本文以1976年在唐山大地震中倒塌的胜利桥为原型[14],来设计本次试验缩尺模型,原型结构上部结构质量51000 kg,桩长27 m,直径0.8 m,桩采用密度为2350 kg/m3的钢筋混凝土结构,模型选型为震害较为严重的简支梁,震害现场如图1所示。

      图  1  震害现场图

      Figure 1.  Scene of earthquake damage

    • 原型结构确认以后,开始设计缩尺模型,考虑到实验室场地限制,采用1∶14.44的缩尺比例进行相应研究,模型桩采用6063 T5铝合金管,密度2700 kg/m3,弹性模量为68 GPa,加速度相似律为1,以惯性矩缩尺比例为参考依据,最终铝管被确定为外径35 mm,壁厚1 mm。边跨采用2×2群桩基础,中柱采用单桩基础,原型与缩尺模型的相似关系如表1所示。

      表 1  模型参数相似律

      Table 1.  Similarity law of model parameters

      物理量 相似律 相似比 原型参数 设计模型 实际模型
      长度/m l 14.44 27 1.8 1.8
      直径/m l 15.00 0.8 0.035 0.035
      密度/(kg/m3) ρ 0.87 2350 2700 2700
      加速度/(m/s2) E/ρl 1.00
      弹性模量/GPa ρl 12.52 28 68 68
      上部结构质量/kg ρl3 2623.03 4.6×104 19.45 19.63
      单桩帽质量/kg ρl3 2623.03 5000 1.91 1.96
      群桩帽质量/kg ρl3 2623.03 11593 4.57 4.42
      速度/(m/s) $\sqrt l $ 3.80
      应力/Pa ρl 12.57
      应变 1 1.00
      时间/s $\sqrt l $ 3.80
      惯性矩/m4 ρl5 5.47×105 5.63×108 1028.17 1041.23
    • 为了研究桥梁结构在地震作用下的自振频率变化,未采用原型结构场地液化环境,而是选择较易液化的本地石英砂,粒径范围如图2所示,级配为4.23。

      图  2  试验用砂筛余曲线

      Figure 2.  Residual curve of the sand

    • 本文重点研究结构在地震作用下的自振频率变化规律,以及桥梁上部结构地震响应,采用剪切型动力土箱模拟土壤边界条件,缩尺模型尺寸及测点布置如图3所示,下层为振捣密实的碎石,重度19 kN/m3,上部为本地砂,重度为16.7 kN/m3,水位线为1.15 m,砂层和石子层呈“V”型布置以模拟河床地形,获得不同埋深的桩。为了防止简支梁发生碰撞,设置间隙为20 mm,如图4所示。

      图  3  测点布置图 /mm

      Figure 3.  Layout of the sensors

      图  4  桥面间隙

      Figure 4.  The gap between the bridge decks

    • 为了获得结构在地震作用下的自振频率变化,以连续白噪声作为输入信号进行激励,如图5所示,分别为0.035 g、0.08 g、0.15 g、0.2 g,每段持续80 s。

      图  5  白噪声激励信号

      Figure 5.  White noise excitation signal

    • 第1阶段:白噪声(0.035 g)激励下仅出现少量气泡,试验现象较不明显,孔隙水压开始上升;第2阶段,0.08 g白噪声激励下,孔隙水压逐渐上升,90 s时PPT5深度处开始液化,多处出现冒水现象,砂层开始沉降;第3阶段,当加速度峰值达到0.15 g时,孔隙水压上升较快,PPT4、PPT3依次出现液化现象,土箱边界出现强烈的冒水现象,之后孔隙水压开始下降,由于选用渗透性较好的石英砂,试验中未出现喷砂现象;第4阶段,继续升高白噪声加速度信号输入,各处孔隙水压继续上升,但是峰值较第3阶段低,是因为随着试验进度,砂层逐渐密实造成。试验留下的冒水痕迹如图6所示。

      图  6  地基沉降及冒水痕迹

      Figure 6.  Settlement of foundation and trace of water emission

    • 根据有效应力方法计算液化时孔隙水压力数值,PPT1~PPT5深度处有效应力分别为4.7 kPa、5.2 kPa、3.84 kPa、2.5 kPa、1.7 kPa。孔隙水压力计随时间变化曲线如图7所示,如前所述,随着激励信号不断增大,孔隙水压逐渐升高,砂层由浅向深处不断液化,当砂层底部出现液化现象后,孔隙水压开始下降,继续增大激励信号,液化深度较之前变浅,这是由于砂层在之前工况内被振密实导致的。

      图  7  孔隙水压力时程曲线

      Figure 7.  Time history curve of pore water pressure

    • 将白噪声信号分成20 s每段,计算架构的频率响应,从而获得结构自振频率随时间变化的规律,如图8所示,结合图7,随着输入的液化的不断变化,结构自振频率不断下降,在180 s处,孔隙水压力开始下降,砂层被振密实,液化深度开始变浅,导致结构频率出现上升趋势。

      图  8  桩自振频率变化曲线

      Figure 8.  Time-history curve of the change of pile natural frequency

    • 位移时程曲线如图9所示,整体上,随着激励信号的不断增大,位移震动幅值不断增大,由于土壤流动的侧向力,整体向右侧偏移,D1偏移滞后是因为群桩刚度较大导致的。在80 s~160 s和160 s~240 s区间的开始阶段,由于激励增大,液化加深,偏移量有部分恢复,桥台的振幅在180 s附近为最大值,这是因为该时刻砂层液化较完全,桩自振频率较低,位移较大。

      图  9  桩顶位移时程曲线

      Figure 9.  Time-history curve of pile top displacement

    • 本文通过1∶14.44缩尺模型,对高桩桥梁进行振动台试验研究,研究桥梁在可液化场地下自振频率随液化深度的变化,通过实验,得出以下结论:

      (1)振动台模型试验能很好地再现液化现象,可为研究液化场地桩-土-结构的相互作用,倒塌机制提供可靠数据。

      (2)随着地震动峰值的不断增大,液化深度逐渐加深,结构自振频率不断降低。

      (3)180 s之后,当孔隙水压超过有效应力之后,土壤液化,释放孔隙水压力,土壤变密实,自振频率呈上升趋势。

      (4)随着液化深度的加深,桩基位移不断增大,当达到一定限值之后,桥梁可能发生破坏,甚至倒塌。

参考文献 (14)

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