基于HHT的两种桩板墙抗震效果对比分析.pdf
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1、第 卷第 期 年 月土木工程与管理学报 .:./.收稿日期:修回日期:作者简介:曲宏略()男山东青州人博士副教授研究方向为岩土与地下工程(:.)基金项目:科技部重点研发计划()四川省自然科学基金面上项目()基于 的两种桩板墙抗震效果对比分析曲宏略 朱梦佳 张 哲 陈 爽 王西科 邓媛媛(.西南石油大学 地球科学与技术学院 四川 成都.云南建设基础设施投资股份有限公司 云南 昆明.天津市水务规划勘测设计有限公司 天津)摘 要:桩板墙具备优良的抗震性能但目前对其研究多集中于静力方面关于支护边坡内部震害损伤动态发展的研究较少关于两类典型桩板墙震害损伤过程的对比研究更罕见报道 基于此本文通过振动台试验
2、利用 法对比分析了锚索桩板墙、桩板墙加固边坡的频谱特性 结果表明:最易产生损伤的位置均为滑面处但在研究对象中由于锚索的存在震害没有延伸至坡体致使桩板墙加固边坡开始产生震害损伤的 较锚索桩板墙小且远离桩板墙侧的土体先出现破坏锚索的存在改变了结构受力状态使土 抗滑桩 锚索成为整体减弱了锚索周围土体的震害损伤当 较大时锚索桩板墙有效抑制坡体震害损伤更好地保持边坡的稳定性相比桩板墙表现出更为良好的抗震性能关键词:振动台试验 锚索桩板墙 桩板墙中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:土木工程与管理学报 年 桩板墙因其抗滑能力好、桩位灵活、施工方便、抗震性能强被广泛应用于水利、交通、矿山等边坡
3、领域 但当边坡较高时抗滑桩悬臂段过长安全性、经济性、抗震性等将大幅下降而锚索的施加可以有效解决此类问题 锚索的存在可以充分将岩土体本身的强度、桩的承载力结合起来从汶川地震的震害调查中发现两种桩板墙具有良好的抗震表现很多学者开始研究两种桩板墙的抗震性能但都是针对一种桩板墙将是否设置锚索两种类型的桩板墙动力响应特征进行对比分析的研究较少实际应用情况很不明确目前学者研究地震响应特性通常采用的分析参数多为 峰 值 加 速 度()而频谱作为描述地震动特性的参数却很少被用来反映斜坡在地震作用下的响应特征通过开展结构加固边坡的动力响应特性研究清晰了解边坡震害破坏模式才能更加准确地服务于高烈度区桩板结构加固边
4、坡的设计地震响应特征一般从振动信号着手研究与分析而以傅里叶变换为基础的各种谱分析方法为代表的传统信号处理方法不能描述信号的局部瞬变特征且无任何时域分辨能力 希尔伯特 黄变换()相比依赖先验函数的傅里叶变换和小波分析法更加适应于非平稳信号是一种更具有适应性的时频局部化分析方法 法没有固定的先验基底是自适应于原信号的 其次对于固有模态函数()而言其赋值允许改变使得信号的分析过程更加灵活多变在处理非平稳非线性数据方面具有独特的优势本文采用最能直接表现地震作用的振动台试验利用 时频分析方法得到坡体内部信号能量的特征幅值和特征频率在此基础上进行损伤诊断分析地震作用下桩板墙加固边坡与锚索桩板墙加固边坡破坏
5、模式的不同为进一步了解桩板结构加固边坡的抗震机制与合理设计提供支持同时具备重要的理论价值和实践意义 基于 的结构损伤识别.方法 方法主要分为两个部分:经验模态分解()和 变换 应用 方法得到 进而对其进行 变换求得瞬时频率获取 函数的算法步骤如下:对一个原始信号()首先找出()上所有的极值点然后用三次样条函数曲线对所有的极大值点进行插值从而拟合出原始信号()的上包络线()同理得到()的下包络线()确保上下两条包络线包含了()上的所有点按顺序连接上、下包络线的均值点即得到一条均值线()()与()之间的差值为:()()()()对任意一个信号()可能是一个 分量 但若不满足 条件则将()当作原信号重
6、复上述步骤 假设经 次筛选后()满足 的定义则()为第一阶 记为()()从()中减去()得到残差:()()()()将残差()看作新的原信号重复上述模态分解过程可得第二个 分量()以此类推当()或()小于预先设定值或()成为单调函数终止模态分解过程 至此原始信号()可分解为 阶 分量以及残差()()()()()对 进行 变换即可得到 分量的瞬时频率谱 通过 变换得到的瞬时频率具有清晰的物理意义能够表达信号的局部特征避免了其他信号处理方法变换所产生的许多事实上不存在的高、低频成分 变换过程如下:对 ()作 变换:()()()式中:为柯西主值()为()的积分逆变换以某一实信号()为实部、其变换()为
7、虚部构造解析信号():()()()()()()式中:为虚数单位()为幅值函数:()()()()()为相位函数:()()()()式()()表达了瞬时振幅和瞬时相位反应了数据的瞬时特性 综合所有的 分量的瞬时频谱就可得到一个新的时频描述方式即 谱其表达式为:()()()()第 期曲宏略等:基于 的两种桩板墙抗震效果对比分析式中:为取实部为常数对()时间积分就得到 边际谱:()()()边际谱表达了每个频率在全局上的幅度(或能量)它代表了在统计意义上的全部累加幅度.结构损伤判识原理地震发生时震源处产生的能量向四周扩散传入边坡边坡岩土体产生剧烈振动地震动能量转化为动能 边际谱法对边坡内部测点的实测加速度
8、信号结果进行分析所得的 边际谱特征值也是能量的体现 当边坡未出现破坏其结构性完整时:从坡脚到坡顶各个测点的边际谱峰值应当基本呈线性增大且随地震动增强的变化趋势也基本一致在同一高程上从坡面到坡内部各个测点的边际谱峰值应当基本一致无明显变化 随着输入地震波的逐渐加强在坡体中产生对完整性具有明显影响的损伤时将导致震动能量无法传递能量在此处出现了变形耗能或者是滞回耗能能量耗损将引起边际谱幅值出现剧烈波动和突变 根据特征幅值和频率的变化即可判断在震动过程中边坡内部损伤破裂的位置以及能量损失的时间并探究边坡破坏的机理 大型模型试验设计本次试验振动台可实现三向六个自由度同时加载台面尺寸为 台面的最大负载为
9、可接受.范围内的频率 试验采用刚性箱作为试验模型箱内部尺寸为.两种桩板墙模型在同一振动台上同时加载并进行测试如图 所示图 试验模型全貌为进一步探究坡体内部的损伤发展过程对比桩板墙、锚索桩板墙加固坡体内破坏模式的不同在坡内不同高程处安装加速度计并定义为两列测点监测点布置如图 所示3700210037002100?(a)?20o1000750A4A3A2A1A8A7A6A5750(b)?12050050020001001205002000500?10015oA4A3A2A1A8A7A6A512404007507501000图 试验测点布置/为使模型试验尽可能真实反映原型的动力特性确定模型与原型之间
10、的相似关系是模型设计中的关键 设定试验模型缩尺比例为 基于 定理导出各物理量相似系数锚索模型尺寸为 .倾角为下倾 锚固段 直径 试验所用模型材料参数如表 所示表 模型材料参数模型材料 容重/含水量/黏聚力/内摩擦角/()基岩.滑床.本次振动台试验地震波加载方向为水平 向和垂直 向加载波形为汶川地震卧龙波 分别为.和.并按相似比进行压缩处理和滤波操作 参数识别及结果分析.分解对输入的汶川地震卧龙波进行 结果表明前四阶 几乎包含了原信号所有幅值成分其余各阶信号包含的周期过长幅值较低是非主要成分为节约篇幅以下列举前四阶 和瞬时频率如图 所示对比前 阶 可以发现 幅值较高、频率信息丰富、辨识清晰度高且
11、瞬时频率分布均衡 土木工程与管理学报 年0.40.20?/Hz101-?/g1040102030405060?/s?/Hz?/g1040102030405060?/s0.60.40.20101-0.60.40.200.500.5-0.60.40.200.200.2-0102030405060?/s0102030405060?/s(a)IMF1(b)IMF2(c)IMF3(d)IMF4?/g104?/g104?/Hz?/Hz102030405060?/s102030405060?/s102030405060?/s102030405060?/s图 分解结果故本文选取 进行 边际谱分析构造相应的信号
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