鋼箱邊界效應(yīng)振動臺試驗研究

莊一舟, 陳 云, 2, 陳 斌, 王勝智, 韓裕添

(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350116；2.上海力岱結(jié)構(gòu)工程技術(shù)有限公司，上海 200122)

鋼箱邊界效應(yīng)振動臺試驗研究

莊一舟1, 陳 云1, 2, 陳 斌1, 王勝智1, 韓裕添1

(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350116；2.上海力岱結(jié)構(gòu)工程技術(shù)有限公司，上海 200122)

為分析樁的動力響應(yīng)和鋼箱的邊界效應(yīng)，設(shè)計一個帶有泡沫邊界、滑動邊界以及摩擦邊界的鋼箱，并進(jìn)行樁土相互作用的振動臺試驗.試驗結(jié)果表明：1) 慣性效應(yīng)作用下，樁頂?shù)牡卣痦憫?yīng)最大；2) 鋼箱不同埋深處，地震響應(yīng)不一，底部最小，中部大于底部和上部；3) 泡沫邊界會影響土體內(nèi)介質(zhì)的加速度響應(yīng)——無泡沫邊界情況下土體內(nèi)介質(zhì)的加速度響應(yīng)偏大.所以，在進(jìn)行樁土動力相互作用的振動臺試驗時建議增設(shè)泡沫邊界.

振動臺試驗; 鋼箱邊界效應(yīng); 加速度響應(yīng); 泡沫邊界

0 引言

進(jìn)行樁土動力相互作用研究的振動臺試驗必須截取有限范圍內(nèi)的土層，但由于受到土層深度、寬度以及長度等因素的影響，所以必須合理處理邊界，以便較好地模擬樁土的動力相互作用.受試驗條件的限制，可以采用土箱進(jìn)行試驗.土箱邊界對地震波能量的反射影響很大[1], 為了克服該問題，很多學(xué)者設(shè)計各式各樣的土箱[2-6].柔性箱和剪切箱可以很好地減少地震波能量的反射[7]，但是都有其缺點，使得其應(yīng)用受限.柔性箱承受荷載能力有限，剪切箱制作復(fù)雜、成本昂貴[6].鋼箱制作簡單，成本相對較低，但是地震波的反射很大，影響試驗結(jié)果精度.本文通過查閱文獻(xiàn)，設(shè)計一種內(nèi)襯泡沫的鋼箱，并通過振動臺試驗，研究泡沫邊界對試驗結(jié)果的影響.為減少試驗土與鋼箱底部產(chǎn)生相對滑動，保證試驗土與鋼箱底部之間有較好的粘結(jié)，底板做成摩擦邊界，即在鋼箱底部內(nèi)側(cè)焊接角鋼.為減少試驗土與平行于地震動方向的鋼箱側(cè)壁發(fā)生摩擦，加大試驗土的剛度，在平行于地震動方向的鋼箱側(cè)壁做成滑動邊界，即在該側(cè)鋼箱涂抹潤滑油.為減少波反射并研究泡沫對試驗結(jié)果的影響，鋼箱的另兩側(cè)黏貼泡沫[7], 如圖1所示.

圖1 鋼箱邊界Fig.1 Box boundary

1 振動臺試驗

1.1 基本參數(shù)

依托福州大學(xué)3臺陣振動臺進(jìn)行試驗，見圖2.試驗鋼箱長、寬、高尺寸為：2 m×2 m×2.1 m.模塑聚苯乙烯泡沫的壓縮特性較好，實驗的內(nèi)襯泡沫采用模塑聚苯乙烯泡沫.泡沫厚度為100 mm，試驗砂為干砂，鋼、泡沫與砂的具體參數(shù)見表1.

圖2 振動臺試驗Fig.2 Shaking table test

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameters

根據(jù)文獻(xiàn)[10]可知模塑聚苯乙烯泡沫的應(yīng)力應(yīng)變存在以下的函數(shù)關(guān)系：

1.2加速度布置位置

為驗證泡沫邊界對試驗結(jié)果的影響，在振動臺臺面的X、Y兩個方向，以及不同埋深處的X、Y兩個方向分別布置了加速度計，具體位置見圖3.

圖3 加速度計布置位置分布圖(單位：mm)Fig.3 Distribution map of accelerometers(unit:mm)

1.3 加載方案

為驗證泡沫邊界對試驗結(jié)果的影響，設(shè)計如下的加載方案，見表2.

表2 邊界效應(yīng)驗證工況Tab.2 Loading-cases for verifying boundary effect

2 結(jié)果分析

2.1 頻譜分析

圖4 頻譜圖 Fig.4 Spectrum

根據(jù)白噪聲掃描時所記錄的加速度時程曲線，利用Origin程序進(jìn)行傅里葉變換，得到頻譜圖，如圖4所示，由圖可知該模型的頻率為8.38 Hz.

2.2 加速度放大系數(shù)

試驗得到的0.1g不同頻率(2、8、15 Hz)的正弦波作用下，不同埋深處的加速度時程如圖5所示；分析得到的 0.1g不同頻率(2、8、15 Hz)的正弦波作用下不同埋深處的加速度放大系數(shù)如圖6所示，輸入的加速度以臺面上的實測為準(zhǔn).

圖5 不同頻率作用下加速度時程曲線Fig.5 Acceleration time-history diagram at different frequencies

圖6 不同頻率作用下加速度放大系數(shù)Fig.6 Acceleration magnification factors at different frequencies

由圖5可知，不同頻率下的臺面記錄的加速度分別為0.104g、0.113g、0.108g，基本接近0.1g.由圖5、6可知，樁頂以及各埋深位置處加速度的變化規(guī)律與輸入的加速度基本上保持一致.樁頂?shù)募铀俣让黠@大于臺面的加速度，樁頂?shù)募铀俣确糯笙禂?shù)最大，最大可以達(dá)到6.75左右，樁頂?shù)募铀俣茸兇蟮脑蚴怯捎跇俄數(shù)膽T性效應(yīng)所造成.根據(jù)三個不同埋深處的加速度反應(yīng)可知，在不同頻率作用下不同埋深處的放大系數(shù)的規(guī)律一致，但加速度反應(yīng)相差很大，埋深最深處，即155 cm處，加速度放大系數(shù)最小，說明鋼箱底部地震反應(yīng)最??；中部埋深處，即95 cm處加速度放大系數(shù)大于埋深155 cm以及35 cm處.鋼箱的地震反應(yīng)與激勵輸入頻率有很大的關(guān)系，由圖5可知，當(dāng)輸入波頻率為8 Hz時的地震反應(yīng)明顯大于2和15 Hz，輸入波的頻率越接近鋼箱的固有頻率時，鋼箱的地震反應(yīng)越大.這是因為輸入波越接近鋼箱的固有頻率，鋼箱越容易產(chǎn)生共振.

2.3 邊界效應(yīng)

國內(nèi)外很多學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)，鋼箱的邊界條件對試驗的結(jié)果影響很大.在振動臺試驗過程中，箱子的體積有限，地震波的反射會影響試驗結(jié)果.本次試驗分別在X、Y兩個方向上輸入相同的正弦波，并分別記錄不同埋深處的加速度時程(注：X方向?qū)?yīng)有泡沫邊界，Y方向?qū)?yīng)無泡沫邊界)，通過對比記錄的加速度時程，分析泡沫邊界對試驗結(jié)果的影響.試驗得到的有、無泡沫邊界作用下，不同埋深處的加速度時程如圖7所示，分析得到的不同埋深處有、無泡沫邊界對加速度時程的影響系數(shù)如圖8所示(注：此影響系數(shù)是無泡沫邊界的加速度峰值除以有泡沫邊界的加速度峰值).

圖7 不同頻率作用下加速度時程Fig.7 Acceleration time history under different frequencies

圖8 泡沫邊界影響系數(shù)Fig.8 Influence coefficient of foam boundary

由圖7、8可知，在兩種情況下，試驗記錄的加速度時程的規(guī)律與輸入波的規(guī)律基本一致，但在不同位置處，記錄的加速度幅值會有所差別.樁頂以及臺面的加速度在兩種情況下很接近，樁頂?shù)募铀俣扔绊懴禂?shù)接近1.04，臺面的加速度影響系數(shù)接近1.02，說明有無泡沫邊界對樁頂以及臺面的加速度沒有影響.而土里面的加速度時程的幅值有所差別，無泡沫邊界情況下的幅值明顯大于有泡沫邊界情況下的幅值，在埋深155 cm處最為明顯，該位置處的影響系數(shù)最大，最大可以達(dá)到2.34，深95 cm處影響系數(shù)最小.說明有無泡沫邊界對土里面的加速度影響很大.這是因為在無泡沫邊界的時候，正弦波傳遞到鋼箱邊界，正弦波反射回來，與該點的正弦波產(chǎn)生疊加效應(yīng)，當(dāng)有泡沫邊界時，正弦波傳遞到泡沫上，由于泡沫是彈塑性材料，會耗散部分地震能量，反射回去的正弦波相比于鋼箱的反射波小，形成的疊加效應(yīng)小，使得不同埋深處的加速度反應(yīng)小于無泡沫邊界的加速度反應(yīng).實際工程中，場地是無限大，不會出現(xiàn)試驗中的鋼箱邊界，試驗過程中有泡沫邊界比較符合實際情況，建議進(jìn)行樁土動力相互作用振動臺試驗時，需要加泡沫邊界.

3 結(jié)語

通過試驗和分析得到以下結(jié)論：

1) 慣性效應(yīng)作用下，樁頂?shù)牡卣鸱磻?yīng)最大；

2) 鋼箱不同埋深處，地震反應(yīng)不一，底部最小，中部大于底部和上部；

3) 泡沫邊界不影響樁頂以及臺面的加速度反應(yīng)，但會影響土里面的加速度反應(yīng)，無泡沫邊界情況下的加速度反應(yīng)偏大，所以，在進(jìn)行樁土動力相互作用的振動臺試驗時建議增設(shè)泡沫邊界.

[1] BRUNO B, TOBIA Z, XUE J Q,etal.Recent development on joint-less bridge in SIBERC research center[C]//1st International Workshop on Integral Abutment/Jointlessbridge.Fuzhou:[s.n.], 2014:147-165

[2] 雷超.樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用體系的振動臺試驗研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

[3] 梁豐.結(jié)構(gòu)-地基動力相互作用體系振動臺試驗與分析[D].上海:同濟(jì)大學(xué)，2004.

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(責(zé)任編輯：蔣培玉)

Shaking table test on boundary effect of steel box for pile-soil interaction research

ZHUANG Yizhou1, CHEN Yun1, 2, CHEN Bin1, WANG Shengzhi1, HAN Yutian1

(1.College of Civil Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350116，China;2.Lead Dynamic Engineering Co.Ltd, Shanghai 200122，China)

In order to analyze the dynamic response of pile and the boundary effect of steel box for pile-soil interaction research, shaking table test was carried out with a sand-contained steel box with foam boundaries inside of two sides of sliding boundaries and another two sides of friction boundaries, respectively.Test results show that:1) the largest seismic response is in pile head due to the effect of inertia; 2) Seismic response is different in various embedded depth, with the smallest in bottom and the larger in central than in bottom and top; 3) Foam boundary affects the acceleration response of particles inside soil with less response than the case with no foam boundary.Therefore, foam boundary is required in shaking table test of pile-soil interaction research.

shaking table test; steel box boundary effect；acceleration；foam boundary

2014-12-22

莊一舟(1964-), 教授, 主要從事無縫橋、樁土相互作用的研究，478372092@qq.com

國家自然科學(xué)基金資助項目(51278126); 福建省自然科學(xué)基金資助項目(2013J01187)

10.7631/issn.1000-2243.2016.04.0504

1000-2243(2016)04-0504-06

TU411.93

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