爆破地震作用下桩_土_结构相互作用的数值模拟_高文乐(防灾减灾工程学报-2012--04).pdf

爆破地震作用下桩-土-结构相互作用的数值模拟 高文乐 1, 2, 黄　博 1, 2, 王　晨 3, 孔祥洋 1, 2 ( 1.山东科技大学土木建筑学院 , 山东 青岛 266510; 2. 山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点实验室, 山东 青岛 266510; 3.日照市建筑设计研究院有限公司, 山东 日照 276826) 摘要: 土 -结构动力相互作用是地震工程和结构抗震的重要研究内容,但目前对爆破地震作用下土 -结构动力相互 作用的研究较少。运用大型有限元软件AN SYS /LS-DYNA,建立了桩 -土 -结构相互作用体系的三维有限元模型,由 桩尖输入实测爆破地震波, 取得了良好的计算效果。计算结果表明:考虑桩-土 -结构相互作用后,群桩基础中每个桩 的位移、加速度和剪应力幅值均呈桩顶大、桩尖小的倒三角分布,桩与承台的接合部比较容易受到损坏;桩 -土 -结构 相互作用体系在爆破地震波冲击后, 还会发生几次振动, 但是这些振动产生的影响要小于爆破地震产生的影响,这 与实测结果相符合; 爆破地震波冲击下,群桩基础中,角桩顶部表面的桩土接触压力较大, 但在爆破地震波冲击后, 中心桩顶部表面的桩土接触压力较大, 且具有一定的周期性, 直至衰减为零。 关键词: 爆破地震; 桩 -土-结构相互作用 ( PSS I); ANSYS /LS-DYNA; 数值模拟 中图分类号: TU 473. 1　　文献标识码: A　　文章编号: 1672-2132( 2012) 04-0463-05 引　言 爆破作为破碎坚硬介质有效且经济的手段,越 来越广泛地应用于采矿、铁路、公路、水利水电等工 程领域。然而爆破带来的爆破公害无法避免,其中以 爆破地震效应的危害最大。 当在建筑物附近进行爆 破时, 炸药爆炸引起的地震波通过场地土的传播输 入到结构体系中, 使结构发生振动,同时振动的结构 产生惯性力如同新的震源又反过来作用于场地,引 起新的场地振动并再作用于结构体系,这种现象称 为土-结构动力相互作用 ( SSD I) [ 1]。 土 -结构动力相互作用是地震工程和结构抗震 的重要研究内容, 不少学者对此做了大量的工作。吕 西林等 [ 2]通过结构-地基动力相互作用体系的振动 台试验,研究了动力相互作用体系的地震动反应的 主要规律。钱德玲等 [3 ]设计和实施了支盘桩 -土-高 层建筑结构动力相互作用体系的振动台试验,再现 了框架结构和桩基的震害现象。 L in J L等 [4 ]采用多 自由度体系模态运动方程并考虑土 -结构相互作用, 研究了不对称建筑物的地震时程响应。 张亚旭等 [5 ] 利用有限元软件 ABAQU S,建立了土 -桩 -框架结构 非线性相互作用 (SS I)的二维精细有限元模型,验证 了数值模型的有效性,并通过计算得到了一些有价 值的结论。 以上研究中, 所加载的地震荷载均是天然地震 波 (比较常用的是 E l Cen tro波、天津波和 T af t波 等 ),而对加载爆破地震波的土 -结构动力相互作用 的研究较少。伴随着爆破的广泛应用,爆破地震荷载 已经成为不可忽视的动力荷载。因此有必要对爆破 地震作用下的土 -结构动力相互作用进行研究。随着 计算机硬件和数值模拟计算软件的发展和普及, 数 值模拟技术成为合理、有效的研究手段,计算结果可 供相关的工程设计和应用参考。本文运用大型有限 元软件 AN SYS /LS-DYNA,建立了桩-土 -结构相互 作用 (PSS I)体系的三维有限元模型, 由桩尖输入实 测爆破地震波, 对爆破地震作用下的桩 -土 -结构相 互作用进行了数值模拟, 取得了良好的计算效果, 得 到了一些有价值的结论。 第 32卷第 4期 2012年 8月 防 灾 减 灾 工 程 学 报 Jou rna l o f D isaste r P reven t ion andM it iga t ion E ng inee ring V o .l 32 N o. 4 Agu. 2012 收稿日期: 2011-07-11; 修回日期: 2011-09-15 基金项目: 国家自然科学基金项目 (资助 作者简介: 高文乐 ( 1966-), 男,教授, 博士。 主要从事岩土力学和爆破安全技术的教学与科研。 Em a il: w en leg ao@ 163. com 1　数值模拟 1. 1　运动方程 　　爆破地震作用下, 桩-土 -结构相互作用体系在 任意时刻 t的运动方程为: [M ] {u}¨ + [C ] {u} + [K ] {u } = - [M ] { I}x u?p ( t) ( 1) 式中　 {u }为节点未知位移向量,其中包括各节点的 水平位移分量 ui、