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研究生: 張榮泰
Rong-Tai Zhang
論文名稱: 群樁基礎裸露橋柱之振動台試驗研究
Shaking Table Study on Bridge Piers with a Scoured Pile-Group Foundation
指導教授: 邱建國
Chien-Kuo Chiu
歐昱辰
Yu-Chen Ou
口試委員: 歐昱辰
Yu-Chen Ou
邱建國
Chien-Kuo Chiu
鄭敏元
Min-Yuan Cheng
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 營建工程系
Department of Civil and Construction Engineering
論文出版年: 2018
畢業學年度: 106
語文別: 中文
論文頁數: 179
中文關鍵詞: 振動台試驗土壤-結構互制p-y土壤彈簧樁基礎橋柱群樁效應複合式災害沖刷效應耐震性能
外文關鍵詞: shaking table, soil-structure interaction, p-y curves, pile foundation, group pile effect, bridge piers, multi-hazard, scouring effect, seismic performance
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本研究探討群樁基礎橋梁受沖刷與地震之複合式災害作用下之受震反應。規劃單柱式橋墩與群樁基礎裸露橋梁模型,並使用大型雙軸向多層剪力試驗盒模擬半無限域之土層,進行振動台試驗以獲取樁基礎橋柱模型於不同裸露深度之動力反應。

茲對群樁基礎橋柱模型進行系統識別,掌握模型之相關動力特性。試驗結果顯示,本試驗模型中土壤貢獻了絕大部分的阻尼比,而隨著裸露深度加深,試體基本振動週期隨之延長,但系統阻尼比無顯著變化;而於地震歷時中,試體基本振動週期與阻尼比會隨著地震歷時前段地表振動劇烈時而提升,而當地表振動緩和時試體基本振動週期與阻尼比下降。

試驗結果顯示裸露深度增加,基樁最大彎矩值隨之上升,且彎矩位置分布亦會改變;而橋柱彎矩可能會於裸露至特定深度後下降。

數值分析方面土壤-結構互制行為係採用非線性土壤彈簧(p-y curves)模擬,並建立三種不同方式之數值模型進行模擬。分別為使用SAP2000蒐羅國內相關公式行土壤-結構互制行為之模擬、SAP2000利用API公式進行土壤-結構互制行為之模擬,與使用OpenSees建立存在彈性、塑性、間隙之土壤彈簧模型之模擬,以探討其適用性、差異性。研究結果顯示,使用SAP2000利用API公式進行土壤-結構互制行為之模擬與使用OpenSees建立存在彈性、塑性、間隙之土壤彈簧模型之模擬皆有不錯之分析結果。


In this study, the impact of scouring on the seismic performance of bridge pier with pile-group foundation was investigated under multi-hazard circumstances. The model bridge pier with pile-group foundation comprised a lumped mass, a steel pier, and a footing supported by a aluminum group pile within dry soil. The shaking table test was carried out to study the dynamic response of the bridge pier with pile- group foundation model at different bare depths.
Conducting dynamic system identification to the bridge pier with pile- group foundation model to realize dynamic characteristics. The test results show that the soil contribute most of the damping ratio. As the exposure depth deepens, the basic vibration period of the specimen is prolonged, but the system damping ratio didn’t change significantly. During the time history, the basic vibration period and damping ratio of the model would increase in the ground motion with high acceleration. When the ground motion is moderated, the basic vibration period and damping ratio of the model will decrease.
As the exposure depth deepens, the maximum bending moment of the pile increases and the position distribution of the bending moment changes. The maximum bending moment of the bridge piers may decrease after exposure to a certain depth.
Soil-structure interaction behavior is simulated by nonlinear soil spring (p-y curves) and establishes three different numerical models for simulation. The first way is the simulation of soil-structure interaction behavior using relevant domestic research formula, which is modeled by SAP2000. The second way is the simulation of soil-structure interaction behavior using API formula, which is modeled by SAP2000. The third way is the simulation of soil-structure interaction behavior using soil spring with elastic, plasticity and gapping behavior, which is modeled by OpenSees.
The results show that simulation of soil-structure interaction behavior using API formula modeled by SAP2000 and simulation of soil-structure interaction behavior using soil spring with elastic, plasticity and gapping behavior modeled by OpenSees can effectively predict the behavior of the test model.

摘 要 ... I ABSTRACT ... III 致 謝 ... V 目 次 ...VII 表 次 ...XI 圖 次 ... XIII 第一章 緒論 ... 1 1.1 研究背景 ... 1 1.2 研究動機與研究目的 ... 2 第二章 文獻回顧 ... 3 2.1 單樁基礎橋柱於乾性砂土之土壤-結構互制實驗研究 ... 3 2.2 單樁基礎橋柱於乾性砂土之WINKLER土壤彈簧分析研究 ... 4 2.3 單樁基礎橋柱於乾性砂土之有限元素分析研究 ... 4 2.4 單樁基礎橋柱於乾性砂土之等效線性土壤彈簧分析研究 ... 5 2.5 群樁基礎橋柱於乾性砂土之土壤-結構互制實驗研究 ... 6 第三章 群樁基礎裸露橋柱之振動台試驗規劃與準備 ... 9 3.1 試驗設備 ... 9 3.1.1 地震模擬振動台 ... 9 3.1.2 大型雙軸向多層剪力盒 ... 10 3.2 振動台試驗規劃 ... 11 3.2.1 群樁基礎橋柱試體 ... 11 3.2.2 試驗用砂土 ... 14 3.2.3 試驗組別 ... 14 3.2.4 輸入地震歷時 ... 16 3.2.5 振動台試驗監測裝置 ... 17 3.2.6 試體架設 ... 18 3.2.7 振動台試驗流程 ... 24 3.3 材料試驗 ... 26 3.3.1 金屬拉伸試驗 ... 26 3.3.2 砂土相對密度試驗 ... 28 3.3.3 砂土直剪試驗 ... 30 第四章 群樁基礎裸露橋柱模型之試驗結果 ... 33 4.1 動力特性系統識別 ... 33 4.1.1 基本震動週期 ... 33 4.1.2 系統阻尼比 ... 36 4.1.3 土壤剪力波速 ... 42 4.2 群樁基礎橋柱反應 ... 46 4.2.1 基樁、橋柱之彎矩分布與軸力 ... 46 4.2.2 基樁相對位移比較 ... 49 4.2.3 遲滯迴圈 ... 49 4.2.4 反應譜分析 ... 54 4.3 小結 ... 56 第五章 群樁基礎裸露橋柱模型之應用SAP2000數值模擬與分析 ... 59 5.1 群樁互制效應與土壤遲滯行為模擬 ... 59 5.2 土壤-結構互制行為之國內相關公式模擬與分析 ... 60 5.2.1 樁前水平向地盤反力係數 ... 60 5.2.2 水平向地盤反力上限值 ... 62 5.2.3 結構基本震動週期之試驗識別結果與分析比較 ... 62 5.2.4 質量塊加速度與位移反應實驗與分析比較 ... 63 5.2.5 基礎版加速度與位移反應實驗與分析比較 ... 64 5.3 土壤-結構互制行為之美國石油學會(API,2000)建議公式模擬與分析 ... 65 5.3.1 砂土側向容許承載力 ... 66 5.3.2 砂土之p-y曲線 ... 67 5.3.3 雙線性化p-y曲線 ... 68 5.3.4 結構基本震動週期之試驗識別結果與分析比較 ... 68 5.3.5 質量塊加速度與位移反應實驗與分析比較 ... 69 5.3.6 基礎版加速度與位移反應實驗與分析比較 ... 70 5.4 小結 ... 71 第六章 群樁基礎裸露橋柱模型之OPENSEES數值模擬與分析 ... 73 6.1 雷利阻尼(RAYLEIGH DAMPING) ... 73 6.2 土壤-結構互制行為之模擬與分析 ... 74 6.2.1 砂土側向容許承載力 ... 75 6.2.2 砂土之p-y曲線 ... 75 6.2.3 間隙與拖曳阻力比 ... 76 6.2.4 群樁互制效應 ... 76 6.2.5 結構基本震動週期之試驗識別結果與分析比較 ... 76 6.2.6 質量塊加速度與位移反應實驗與分析比較 ... 77 6.2.7 基礎版加速度與位移反應實驗與分析比較 ... 79 6.3 小結 ... 81 第七章 結論與建議 ... 83 7.1 結論 ... 83 7.2 建議 ... 84 參考文獻 ... 87 附錄 一 樁基礎與橋柱模型彎矩分布 ... 91 附錄 二 基樁相對位移 ... 103 附錄 三 SAP2000使用國內相關公式進行土壤-結構互制之數值模擬歷時反應 ...111 附錄 四 SAP2000使用美國石油學會(API,2000)公式進行土壤-結構互制之數值模擬歷時反應 127 附錄 五 OPENSEES進行美國石油學會(API,2000)公式數值模擬歷時反應 ... 143

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無法下載圖示 全文公開日期 2023/08/25 (校內網路)
全文公開日期 本全文未授權公開 (校外網路)
全文公開日期 本全文未授權公開 (國家圖書館:臺灣博碩士論文系統)
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