[发明专利]一种桩基动力反应离心机试验数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种桩基动力反应离心机试验数值模拟方法，通过建立正确的砂土实体单元模型正确模拟实验环境，并在建立桩‑土相互作用有限元模型时，通过引入二维四节点桩身实体单元并赋予其与实验相同的桩身材料本构模型，并在桩‑土作用节点处加入弹簧单元来刻画桩‑土的动力相互作用，最后采用合适的边界条件以及地震波加载方式，从而尽可能地还原实际液化场地桩基动力反应的离心机试验，使得该模拟方法能够有效预测自由场地、单桩和群桩在动力条件下的反应。本发明的液化场地下桩基动力反应离心机试验数值模拟方法简化了建模步骤，提高了计算效率，保证了计算精度，解决了桩‑土相互作用的分析难题，因而具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种桩基动力反应离心机试验数值模拟方法。

背景技术

地震灾害作为自然灾害中破坏能力最大的一种，一直是建筑结构设计中最为重视的。其中，桥梁结构桩基础对地震的反应最为明显，历次震害表明，地震导致的桩基础周围砂土液化从而导致的砂土变形与扩展对桥梁桩基造成的破坏最为严重，是桥梁桩基震害最普遍的表现形式。实践与研究表明:地震下液化侧向大变形土体显著地影响着桥梁桩基的力学行为，导致桩侧土压力明显增加，极易造成桩基的严重损坏，进而耦联上部桥梁结构的失效甚至倒塌。自1995年日本阪神地震后，各国学者开始重视液化侧向流动场地桥梁桩基的抗震问题，且陆续开展了一些研究工作。自此，这一领域便成为国内外桩基抗震研究的热点和难点问题。现场调查、模型试验和数值计算是研究桩基础抗震问题的主要方法。目前模拟试验的种类，主要分为振动台试验与离心机试验，两类试验虽为研究该问题的最为有效的手段，但是因其耗时、费钱、准备周期较长、且适应性较低，并且其能够考虑的影响因素并不多。因此，本文基于大型有限元软件OpenSees，对某离心机振动台试验对可液化地基中桩基础的地震响应进行了研究。数值模拟方法凭借其快速、高效、精度高的特点已成为研究岩土地震工程问题的重要手段之一。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供了一种能够准确模拟液化场地桩基动力反应离心机试验的数值模拟方法。

为达到上述目的，本发明的桩基动力反应离心机试验数值模拟方法，包括以下步骤：

(1)获取液化场地桩基动力反应离心机实验数据；

(2)基于OpenSees平台，根据步骤(1)中的离心机试验建立桩-土相互作用有限元模型：

S1、建立匹配步骤(1)的离心机试验中的砂土层有限元模型，并将所述砂土层有限元模型划分成若干个砂土实体单元；

S2、在所述砂土层有限元模型中建立桩身，所述桩身由若干二维四节点桩身实体单元组合而成，其中，所述桩身实体单元与所述砂土实体单元在接触面上具有相同的长度或宽度；

S3、赋予所述桩身实体单元OpenSees材料库中的匹配步骤(1)中离心机试验的桩身材料本构模型；

S4、在所述砂土实体单元和所述四节点实体单元之间施加弹簧单元，用于模拟所述砂土实体单元和所述桩身实体单元间的相互作用；

(3)对所述桩-土动力相互作用有限元模型施加动力条件进行模拟，并计算桩-土相互作用有限元模型的弯矩：M＝F×L，其中，F表示模拟时所述桩身实体单元所受的剪切应力，L表示与F垂直的方向上的所述桩身实体单元的长度；

(4)导出步骤(3)中的弯矩数据并与步骤(1)中的所述离心机实验数据比对。

进一步地，步骤S1中模拟砂土实体单元的步骤为：

S11、在所述砂土层有限元模型中引入OpenSees内嵌的具有土-水耦合性质的二维四节点单元作为所述砂土实体单元；

S12、赋予所述砂土实体单元OpenSees材料库中的基于多屈服面塑性理论的砂土材料本构模型。