1绪论
1.1引言
高速铁路作为一种安全可靠、快捷舒适、超大运量、低碳环保的运输方式，已成为世界铁路发展的趋势。从2004年的第一个《中长期铁路网规划》开始，中国以大气魄绘就了超过1.2万公里的"四纵四横”快速客运专线网。截至2012年，我国新建高铁里程已达9332公里，约占我国《中长期铁路网规划》中髙铁路网1.8万公里的51%，“四纵”高铁干线除个别路段外基本贯通，“四横”高铁干线也进展顺利。预计整体的高速铁路网将在2020年全面形成。桥梁建设是高速铁路土建工程中的重要组成部分，在拟建“四纵四横”的快速客运专线网中包含了大量的桥梁工程。以京沪高速铁路为例，线路全长为1300多公里，桥梁占1000多公里，约为全长的80%;已经幵通运营的京津城际铁路桥梁比重达到88%;而广珠城际铁路的桥梁比重达到90%以上。我国位于世界两大地震带一环太平洋地震带与欧亚地震带的交界处，地质构造复杂，地壳运动活跃，是世界大陆地震最强烈、多发和密集的地区。地震发生时所释放的巨大能量，不仅造成构造物和基础设施的破坏与倒塌，还因生命线工一程（如桥梁工程）的毁坏，使得救援工作不能及时有效的开展，随后的次生灾害加重，给人类社会造成巨大的人员伤亡和经济损失。人类社会发生的几次大地震，如我国的唐山大地震和汶川地震，日本的关东地震和阪神地震等，均导致了大量桥梁结构的破坏。桩基础作为深基础的一种形式，具有承载力大、稳定性好、差异沉降小等优点，能较好的适应各种复杂的地质条件和荷载情况，并在桥梁、大坝、高层建筑、港口码头等工程中得到广泛的应用。我国高速铁路桥梁建设大量采用桩基础形式。桩基础不仅能克服复杂的地质条件，提高地基承载力，还是预防地基失效的重要抗震措施；对于非液化地基，桩基础能减少基础的附加沉降、减轻震害，而对于液化地基，只要桩尖深入持力层，在防止基础液化的同时也能适当减轻震害。
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1.2 土一结构相互作用的研究历史和发展现状
土一结构相互作用的研究最早可追溯到1904年Lamb对弹性地基振动问题的分析，该分析讨论了动力荷载作用下弹性羊平面与半空间的波动问题，并得出了作用点荷载时，二维与三维弹性半空间上或半空间内的稳态与瞬态解。Reissner(1936)通过对Lamb解的积分，对刚性圆形基础板在竖直荷载作用下的振动问题进行了研宄，奠定了土一结构动力相互作用研究的基础。Quinlan (1953)对Reissner得出的解进行了修正，得到了刚性地基中接触压力分布问题。之后，T.KSung对Reissner的研宄做了进一步的补充，其研宄假定在半空间表面上的圆形刚性地基的接触面内有三种不同类型的反力分布（抛物线分布、均勾分布和刚性基础的压力分布），并基于不同泊松比给出了相应的解，从而获得了条形基础在半空间基础表面上的反力数学表达式[54]。条形基础的柔度函数也可应用这一理论获得。Richart等（1965)利用该理论的分析结果与大量场地试验结果相比较，认为该方法具有良好的精度。50~60年代为土一结构相互作用研究的基本理论准备阶段。该阶段的研究是将基础简化为刚性无质量体系，分析地基的动力阻抗特性，从而建立振动荷载与位移的关系，即确定动力阻抗函数。Bycroft (1956)对弹性半空间表面刚性圆形基础板在应力边值条件下的平移和转动进行了研究，并推导出其稳态解和瞬态解，初步揭不了惯性相互作用的基本规律。1966年，Lysmer和Richart提出了由质量一弹簧一阻尼器组成的集总参数模型。通过该模型，可以将求解弹性半空间问题转化为求解等效集总参数模型的问题。随后，Wolf、Barros、Jean等学者应用集总参数法[6]，改变模型中质量块、弹簧、阻尼器的数量，并把得到的计算解与解析解进行比较，验证了这一方法的精确性。
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2单桩基础的非线性计算模型研究
2.1引言
桩基础作为深基础中常用的一种形式，能较好地适应复杂地质条件以及各种荷载情况。近年来，桩基础在港口码头，公路结构，铁路桥梁下部结构，海洋平台，滑坡防治等方面得到广泛的应用。现代桩基础不仅仅只是传递竖向荷载，还越来越多地用来承受水平力作用，因此对其计算方法的研宄受到了国内外学者的普遍重视。目前我国《建筑桩基础设计规范》、《公路桥涵地基与基础设计规范》、《铁路桥涵地基与基础设计规范》中均提出采用线性Winkler地基梁模型来描述桩土之间的相互作用关系，即用一系列的线性弹簧表示土与结构的相互作用。该方法虽然简便，但并未考虑到土体特性对结构的影响，进行结构非线性分析时的适用性值得验证。以m法为例，当水平荷载不大时，土体尚处于弹性阶段，m法能较好地反映土桩相互作用。但是当水平荷载较大，桩在地表处发生较大位移，桩侧土体进入塑性阶段时，桩周土体会随着水平荷载的继续增大发生软化现象，地基系数m值亦随着水平荷载的增大而减少，并非是一个确定的参数。因此用m法计算将会出现较大误差，并且随着水平荷载的增大，误差也会随之增大。另外，当m值取值一定时，桩身最大弯矩位置不随水平荷载的增大而产生变化，显然不合实际。因此，在桩基础抗震设计时若考虑土体的非线性，线性Winkler地基梁模型的精确性和适用性值得探讨。
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2.2基于曲线法的地基土抗力分析
强震作用下桩周土约束作用的模拟一直以来都是难点，也是近年来研宄的热点。由于土柱相互作用的复杂性，采用精细的有限元模型计算造价太高，因此，计算分析时通常将桩周土对桩基的抗力在力学层面上简化为一系列的非线性弹簧进行模拟。目前，用非线性弹簧模拟柱周土抗力的本构关系主要有三种：①美国石油学会API规范提出的地基土抗力计算方法；②日本铁道抗震设计规范提出的地基土抗力计算方法；③非线性m法。基于试柱试验得出的p-y曲线法在求解静力作用下土一披相互作用的非线性行为有很好的精度和适用性，许多的理论分析模型都是基于曲线的基础上发展起来的。该法最早起源于港口工程及海洋工程中的高柱结构，这些结构的共同特点是由水平荷载（如船舶荷载、波浪作用力）控制驻身截面的设计。由于曲线法区分了水上和水下土的性质并引入了 P-乘子考虑群桩效应，因此在美国石油学会API规范、我国《港口工程柱基础设计规范》和美国NCHRP461等研究报告中均采用该方法。国内外许多学者对曲线进行了深入的研究。
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3群桩基础的非线性计算模型研究..........35
3.1引言..........35
3.2桩身非线性的模拟方法..........36
3.3群桩效应..........38
3.4非线性群桩基础的有限元模拟及参数影响..........39
3.5本章小结..........56
4桥墩一桩基础系统的能力谱法分析..........57
4.1引言..........57
4.2 Pushover分析方法的基本理论..........58
4.3能力谱法的基本理论及弹塑性需求谱的构造..........60
4.4考虑桥墩横桥向弯剪变形的数值分析模型..........67
4.5工程实例分析..........74
4.6本章小结..........83
5桥墩一桩基础系统基于延性的抗震性能分析..........85
5.1引言..........85
5.2桥墩一桩基础系统的破坏类型及判定方法..........85
5.3不同破坏类型下的抗震设防标准及性能指标..........86
5.4算例分析..........92
5.5本章小结..........99
5桥缴一被基础系统基于延性的抗震性能分析
5.1引言
在传统抗震理念中，考虑到柱基础在地震中发生损伤，难以检测且加固维修费用较高，通常将桩基础按传统的弹性设计方法进行抗震设计，使披基础始终保持弹性。这种设计理念在公路桥梁中较易实现，但在铁路桥梁尤其在客运专线桥梁中，由于桥墩本身的刚度较大，导致基础受到的地震作用也非常大，在大震时要求基础保持弹性非常困难，总结国内外近几十年的震害资料表明，不少的桥梁结构是因为披基础的失效而导致结构的整体破坏。本章以桥墩一桩基系统为研究对象，提出了桥墩一桩基系统破坏类型的判定方法，并给出不同破坏类型下结构的抗震设防标准与性能指标，最后结合算例，对结构进行抗震性能分析。在地震作用下，桥墩一桩基础一地基土作为整体系统，结构的各组成部分都有可能发生损伤而进入塑性工作状态。各部位进入塑性的先后次序不同，导致结构各部位的反应也明显不同。若某一部位首先进入屈服，就会减小其他部位受到的地震作用，从某种意义上讲该部位就会得到保护。根据桥壊可能进入屈服的部位，可以将桥墩划分为：墩身破坏型、基础破坏型以及混合破坏型三类[56]。
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结论
采用现行规范进行高速铁路桥梁抗震设计时，通常认为破坏发生在桥墩位置，并未考虑披基础的破坏。然而总结国内外近几十年的震害资料表明，不少的桥梁结构是因为桩基础的失效而导致结构的整体破坏。在研习大量相关资料的基础上，本文对桥壤一披基系统进行了深入的探讨。本文主要工作如下：
(1)对土一结构相互作用的历史和发展现状进行了概括，描述了地震作用下土一结构相互作用的基本机理，概括了土一结构相互作用的研究方法，介绍了工程中常用的土一柱一结构相互作用的计算模型，对土桩相互作用的若干重要问题进行了讨论。
(2)为考虑水平荷载作用下土披之间的相互作用，结合国内外相关设计规范，提出了基于曲线（包括曲线、曲线）法的单桩基础非线性计算模型，模型中以P-；；弹簧模拟桩侧土的水平抗力，t-z弹簧模拟桩周土体的竖向摩阻作用，q-z弹簧模拟柱底土层的竖向支承作用，并对美国地震工程模拟网络组织完成的现场试验进行模拟，同时建立实体单元模型，两相对比，验证了 曲线法的准确性及适用性；探讨了改变粘土的不排水抗剪强度与容重、砂土的摩擦角与容重对柱基础力学行为的影响。
(3)提出了适用于我国高铁桥梁抗震分析的群桩基础的非线性计算模型，模型中以P-乘子考虑群柱效应并以分布塑性铰模式追踪桩身的非线性变形；以京石客专为背景，对非线性群柱基础进行有限元模拟，并分析了墩顶水平荷载作用下，群桩基础的破坏形态、变形能力、承载能力以及柱身内力分布规律；对影响群柱非线性性能的参数进行分析，即墩高、桩径、桩身配筋率、桩身配箍率等，总结了这些参数的改变对群桩基础的承载力、位移延性系数以及桩身塑性铰产生机制、发展历程的影响规律。
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参考文献（略）