钢箱边界效应振动台试验研究

庄一舟, 陈 云, 2, 陈 斌, 王胜智, 韩裕添

(1.福州大学土木工程学院，福建 福州 350116；2.上海力岱结构工程技术有限公司，上海 200122)

钢箱边界效应振动台试验研究

庄一舟1, 陈 云1, 2, 陈 斌1, 王胜智1, 韩裕添1

(1.福州大学土木工程学院，福建 福州 350116；2.上海力岱结构工程技术有限公司，上海 200122)

为分析桩的动力响应和钢箱的边界效应，设计一个带有泡沫边界、滑动边界以及摩擦边界的钢箱，并进行桩土相互作用的振动台试验.试验结果表明：1) 惯性效应作用下，桩顶的地震响应最大；2) 钢箱不同埋深处，地震响应不一，底部最小，中部大于底部和上部；3) 泡沫边界会影响土体内介质的加速度响应——无泡沫边界情况下土体内介质的加速度响应偏大.所以，在进行桩土动力相互作用的振动台试验时建议增设泡沫边界.

振动台试验; 钢箱边界效应; 加速度响应; 泡沫边界

0 引言

进行桩土动力相互作用研究的振动台试验必须截取有限范围内的土层，但由于受到土层深度、宽度以及长度等因素的影响，所以必须合理处理边界，以便较好地模拟桩土的动力相互作用.受试验条件的限制，可以采用土箱进行试验.土箱边界对地震波能量的反射影响很大[1], 为了克服该问题，很多学者设计各式各样的土箱[2-6].柔性箱和剪切箱可以很好地减少地震波能量的反射[7]，但是都有其缺点，使得其应用受限.柔性箱承受荷载能力有限，剪切箱制作复杂、成本昂贵[6].钢箱制作简单，成本相对较低，但是地震波的反射很大，影响试验结果精度.本文通过查阅文献，设计一种内衬泡沫的钢箱，并通过振动台试验，研究泡沫边界对试验结果的影响.为减少试验土与钢箱底部产生相对滑动，保证试验土与钢箱底部之间有较好的粘结，底板做成摩擦边界，即在钢箱底部内侧焊接角钢.为减少试验土与平行于地震动方向的钢箱侧壁发生摩擦，加大试验土的刚度，在平行于地震动方向的钢箱侧壁做成滑动边界，即在该侧钢箱涂抹润滑油.为减少波反射并研究泡沫对试验结果的影响，钢箱的另两侧黏贴泡沫[7], 如图1所示.

图1 钢箱边界Fig.1 Box boundary

1 振动台试验

1.1 基本参数

依托福州大学3台阵振动台进行试验，见图2.试验钢箱长、宽、高尺寸为：2 m×2 m×2.1 m.模塑聚苯乙烯泡沫的压缩特性较好，实验的内衬泡沫采用模塑聚苯乙烯泡沫.泡沫厚度为100 mm，试验砂为干砂，钢、泡沫与砂的具体参数见表1.

图2 振动台试验Fig.2 Shaking table test

表1 材料参数Tab.1 Material parameters

根据文献[10]可知模塑聚苯乙烯泡沫的应力应变存在以下的函数关系：

1.2加速度布置位置

为验证泡沫边界对试验结果的影响，在振动台台面的X、Y两个方向，以及不同埋深处的X、Y两个方向分别布置了加速度计，具体位置见图3.

图3 加速度计布置位置分布图(单位：mm)Fig.3 Distribution map of accelerometers(unit:mm)

1.3 加载方案

为验证泡沫边界对试验结果的影响，设计如下的加载方案，见表2.

表2 边界效应验证工况Tab.2 Loading-cases for verifying boundary effect

2 结果分析

2.1 频谱分析

图4 频谱图 Fig.4 Spectrum

根据白噪声扫描时所记录的加速度时程曲线，利用Origin程序进行傅里叶变换，得到频谱图，如图4所示，由图可知该模型的频率为8.38 Hz.

2.2 加速度放大系数

试验得到的0.1g不同频率(2、8、15 Hz)的正弦波作用下，不同埋深处的加速度时程如图5所示；分析得到的 0.1g不同频率(2、8、15 Hz)的正弦波作用下不同埋深处的加速度放大系数如图6所示，输入的加速度以台面上的实测为准.

图5 不同频率作用下加速度时程曲线Fig.5 Acceleration time-history diagram at different frequencies

图6 不同频率作用下加速度放大系数Fig.6 Acceleration magnification factors at different frequencies

由图5可知，不同频率下的台面记录的加速度分别为0.104g、0.113g、0.108g，基本接近0.1g.由图5、6可知，桩顶以及各埋深位置处加速度的变化规律与输入的加速度基本上保持一致.桩顶的加速度明显大于台面的加速度，桩顶的加速度放大系数最大，最大可以达到6.75左右，桩顶的加速度变大的原因是由于桩顶的惯性效应所造成.根据三个不同埋深处的加速度反应可知，在不同频率作用下不同埋深处的放大系数的规律一致，但加速度反应相差很大，埋深最深处，即155 cm处，加速度放大系数最小，说明钢箱底部地震反应最小；中部埋深处，即95 cm处加速度放大系数大于埋深155 cm以及35 cm处.钢箱的地震反应与激励输入频率有很大的关系，由图5可知，当输入波频率为8 Hz时的地震反应明显大于2和15 Hz，输入波的频率越接近钢箱的固有频率时，钢箱的地震反应越大.这是因为输入波越接近钢箱的固有频率，钢箱越容易产生共振.

2.3 边界效应

国内外很多学者通过研究发现，钢箱的边界条件对试验的结果影响很大.在振动台试验过程中，箱子的体积有限，地震波的反射会影响试验结果.本次试验分别在X、Y两个方向上输入相同的正弦波，并分别记录不同埋深处的加速度时程(注：X方向对应有泡沫边界，Y方向对应无泡沫边界)，通过对比记录的加速度时程，分析泡沫边界对试验结果的影响.试验得到的有、无泡沫边界作用下，不同埋深处的加速度时程如图7所示，分析得到的不同埋深处有、无泡沫边界对加速度时程的影响系数如图8所示(注：此影响系数是无泡沫边界的加速度峰值除以有泡沫边界的加速度峰值).

图7 不同频率作用下加速度时程Fig.7 Acceleration time history under different frequencies

图8 泡沫边界影响系数Fig.8 Influence coefficient of foam boundary

由图7、8可知，在两种情况下，试验记录的加速度时程的规律与输入波的规律基本一致，但在不同位置处，记录的加速度幅值会有所差别.桩顶以及台面的加速度在两种情况下很接近，桩顶的加速度影响系数接近1.04，台面的加速度影响系数接近1.02，说明有无泡沫边界对桩顶以及台面的加速度没有影响.而土里面的加速度时程的幅值有所差别，无泡沫边界情况下的幅值明显大于有泡沫边界情况下的幅值，在埋深155 cm处最为明显，该位置处的影响系数最大，最大可以达到2.34，深95 cm处影响系数最小.说明有无泡沫边界对土里面的加速度影响很大.这是因为在无泡沫边界的时候，正弦波传递到钢箱边界，正弦波反射回来，与该点的正弦波产生叠加效应，当有泡沫边界时，正弦波传递到泡沫上，由于泡沫是弹塑性材料，会耗散部分地震能量，反射回去的正弦波相比于钢箱的反射波小，形成的叠加效应小，使得不同埋深处的加速度反应小于无泡沫边界的加速度反应.实际工程中，场地是无限大，不会出现试验中的钢箱边界，试验过程中有泡沫边界比较符合实际情况，建议进行桩土动力相互作用振动台试验时，需要加泡沫边界.

3 结语

通过试验和分析得到以下结论：

1) 惯性效应作用下，桩顶的地震反应最大；

2) 钢箱不同埋深处，地震反应不一，底部最小，中部大于底部和上部；

3) 泡沫边界不影响桩顶以及台面的加速度反应，但会影响土里面的加速度反应，无泡沫边界情况下的加速度反应偏大，所以，在进行桩土动力相互作用的振动台试验时建议增设泡沫边界.

[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.桩-土-结构相互作用体系的振动台试验研究[D].合肥:合肥工业大学，2007.

[3] 梁丰.结构-地基动力相互作用体系振动台试验与分析[D].上海:同济大学，2004.

[4] 郭长城.建筑结构振动计算[M].北京：中国建筑工业出版社，1982.

[5] 徐炳伟，姜忻良.大型复杂结构-桩-土振动台模型试验土箱设计[J].天津大学学报，2010，43(10)：912-918.

[6] 蔡隆文，谷音，卓卫东，等.基于有限元分析的振动台试验土箱边界效应研究[C]//第二十三届结构工程学术会议论文集.兰州：[s.n.], 2014：328-335.

[7] 周伟.桩-土-结构体系动力相互作用振动台试验分析和有限元分析[D].合肥：合肥工业大学，2010.

[8] 韩俊艳，杜修力，李立云.土工振动台试验连续体模型箱的适用性研究[J].地震工程与工程振动，2013：33(2)：200-208.

[9] 陈国兴，左熹, 庄海洋, 等.地铁车站结构大型振动台试验与数值模拟的比较试验[J].地震工程与工程振动, 2008，28(1)：157-164.

[10] 季倩倩.地铁车站结构振动台模型试验研究[D].上海：同济大学，2002.

(责任编辑：蒋培玉)

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，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian 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

庄一舟(1964-), 教授, 主要从事无缝桥、桩土相互作用的研究，478372092@qq.com

国家自然科学基金资助项目(51278126); 福建省自然科学基金资助项目(2013J01187)

10.7631/issn.1000-2243.2016.04.0504

1000-2243(2016)04-0504-06

TU411.93

A