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系統識別號 U0002-0103201310531800
中文論文名稱 樁基礎耐震性能之研究
英文論文名稱 Study on Seismic Performance of Pile Foundations under Earthquakes
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 101
學期 1
出版年 102
研究生中文姓名 王寅綸
研究生英文姓名 Yin-Lun Wang
學號 699380589
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2013-01-10
論文頁數 142頁
口試委員 指導教授-張德文
委員-洪勇善
委員-趙曉周
中文關鍵字 樁基礎  波動方程  樁受震行為  性能分析 
英文關鍵字 PBD  EQWEAP  pile foundation  wave equation analysis  damage model  equivalent foundation stiffness  seismic performance 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 近年來,性能設計法應用和相關研究益趨頻繁。眾所周知,現有之大地工程性能設計規範以歐盟Eurocode和日本Geo-Code21為代表。本研究擬藉由美國太平洋地震工程研究中心所建議的機率分析法 (PBEE analysis) 探討樁基耐震性能特性,所採用的數值工具為一維EQWEAP分析,該分析係結合集中質塊法、孔隙水壓模式及波動方程式方法等研發而成,具簡易快速特性。另根據台灣地震危害度曲線顯示,台北地區之回歸週期30年、475年和2500年地震的地表最大加速度分別為0.12g、0.29g和0.51g,上述加速度值將成為耐震性能評估重點。除地盤的非線性行為外,基樁的非線性行為亦屬重要,本研究係以LPILE程式推算基樁彎矩容量,界定性能狀態標準,以討論不同耐震性能目標下樁身最大位移和彎矩影響。
研究結果顯示:上述分析可充分瞭解樁基在地震下行為,包括:基樁反應 (最大位移、彎矩和剪力分布、瞬間最大變形和內力分布)、不同地震等級下之基樁位移和彎矩性能 (也即IM-EDP、λ-EDP、DM-EDP、λ-DM關聯性),進而做為評估其耐震性能使用。研究以台北新莊地區快速道路橋梁樁基礎 (樁徑為2m) 為例,嘗試數值模型的耐震性能以及相關參數所造成的影響,研究發現:該橋梁樁基大致能滿足建築耐震設計要求,除在中小地震下,樁頂部位似有開裂之虞外;設計地震和最大考量地震下均滿足耐震性能韌性容量和不斷樁要求。長樁可減少樁身內力,故可提升其耐震性能;硬地盤基樁將較軟地盤基樁抗震性能為高。此外,地盤運動決定基樁的運動方式,地震力大小遠較地盤之土壤變異性重要,大口徑樁的樁頂和樁底位移相對較小 (本研究<10cm),可忽略二次彎矩影響,上構慣性力不宜以靜態力模擬,其將導致過份保守結果。在較大地震下,工址地盤或有局部液化現象,惟對大口徑樁影響有限。樁頂韌性容量提升應為設計者努力方向,本研究另建議基樁耐震性能評估流程供實務應用參考。
英文摘要 This study intends to discuss the applications of probability analysis on seismic performance of piles with the one-dimensional wave-equation modeling. Numerical examples were conducted for typical pile foundations on a bridged expressway located at Sinjhuang District in New Taipei City. From the local seismic hazard curves, peak ground accelerations at the moderate, the design and the maximum consideration earthquakes were targeted, and the seismic records were created based on the significance of past quakes. Nonlinear moment-curvature relation of the concrete pile was used to simulate the damages and failure of the piles. For a typical pile foundation where each pile has a diameter of 2m and the area ratio of steel bar about 1.94%, if the vertical load is 9000~18000kN and a horizontal force approximates from 0~2700kN, the maximum pile displacements under different design levels were found roughly at 19, 45 and 79 cm for a 60m longer pile. Presuming a fixed head condition, the piles will be slightly damaged and the cracks will occur at the pile head due to the moderate quakes. Nevertheless the most pile shaft will remain elastic. For the design earthquake, the maximum bending moment occurred at the pile head would cause the bar to yield but no plastic hinge was found. For maximum consideration earthquake, the piles were found safe without fully mobilizing the ultimate moment. The results can be used for the assessments of the seismic design for these foundations. A design procedure is suggested comparing the maximum bending moment of the pile under the earthquake with the moment capacities of the pile.
論文目次 目錄
中文摘要
英文摘要
目 錄 I
表目錄 III
圖目錄 IV
第一章 緒 論 1
§1-1 研究動機與目的 1
§1-2 研究方法 2
§1-3 研究內容 3
第二章 文獻回顧 6
§2-1 性能設計法 6
§2-1-1 國外性能設計發展 8
§2-1-2 我國性能設計現況 12
§2-2 樁基礎設計與分析 25
§2-2-1 群樁基礎模擬 29
§2-2-2 基樁耐震行為 31
§2-3 波動方程地震分析 33
§2-3-1 自由場反應分析 35
§2-3-2 樁波動方程式推導 36
§2-3-3 樁基反應分析與Bouc-Wen 非線性模式 42
§2-4 基線修正法 50
第三章 理論與方法 53
§3-1 律定性和機率性地震分析 53
§3-2 地震工程性能 (PBEE) 分析 54
§3-3 台灣主要都市地震危害度 62
第四章 基樁耐震性能之案例分析 65
§4-1 台北盆地案例 65
§4-2 實際案例簡介與參數說明 67
§4-3 台北地區樁基耐震行為和性能分析 76
§4-3-1 樁基礎反應-最大位移、彎矩和剪力分布圖 76
§4-3-2 樁基礎反應-瞬間最大變形、內力分布狀況 99
§4-3-3 耐震性能評估~樁身最大位移 100
§4-3-4 耐震性能評估~樁身最大彎矩 103
第五章 基樁耐震性能之參數研究 106
§5-1 二次彎矩影響 106
§5-2 水平力影響、面積比影響、鉸接狀態影響 108
§5-3 土層參數研究 (N值變化) 114
§5-4 地震延時分析 117
§5-5 動態力影響 118
§5-6 土層液化情況 119
第六章 結論與建議 122
§6-1 結論 122
§6-2 展望與建議 130
參考文獻 132

表目錄
表 2-1 地震等級和設計目標關聯性 (摘自 陳正興等,2009) 15
表 2-2 建築物基礎構造設計規範各章內容 17
表 2-3 交通結構物基礎之耐震性能 (摘自 陳正興等,2006) 21
表 2-4 交通結構物分級與耐震性能目標 (摘自 陳正興等,2006) 22
表 2-5 橋樑基礎耐震性能檢核項目(摘自 陳正興等,2006) 22
表 2-6 性能設計文獻整理 23
表 2-7 樁基礎動力分析發展整理 34
表 3-1 台灣各主要都市所對應之地表最大加速度值 64
表 4-1 各層土壤參數選用值 68
表 4-2 地震觀測站地震資料 (摘自 中央氣象局) 70
表 4-3 30m基樁耐震分析結果 (耐震性能等級I) 79
表 4-4 30m基樁耐震分析結果 (耐震性能等級II) 80
表 4-5 30m基樁耐震分析結果 (耐震性能等級III) 81
表 4-6 30m基樁耐震分析結果 (標靶PGA=0.58g) 82
表 4-7 60m基樁耐震分析結果 (耐震性能等級I) 89
表 4-8 60m基樁耐震分析結果 (耐震性能等級II) 90
表 4-9 60m基樁耐震分析結果 (耐震性能等級III) 91
表 4-10 60m基樁耐震分析結果 (標靶PGA=0.70g) 92
表 5-1 地震歷時面積計算分析結果 117

圖目錄
圖 1-1 研究流程圖 5
圖 2-1 歐洲構造物設計規範演進示意圖 (整理自 陳正興等,2009) 9
圖 2-2 性能要求、驗證及規範之階層示意圖 (重繪自 Honjo,2003) 11
圖 2-3 日本Geo-Code 21的性能矩陣 (摘自Honjo,2003) 15
圖 2-4 設計水平地震力計算流程圖 (摘自 陳正興等,2009) 20
圖 2-5 基樁設計流程圖 (摘自 建築物基礎構造設計規範,2001) 28
圖 2-6 樁基受震波動方程分析示意圖 33
圖 2-7 EQWEAP分析程序示意圖 33
圖 2-8 樁頂邊界條件(自由端) 38
圖 2-9 樁頂邊界條件(剛性端) 38
圖 2-10 樁頂之節點編號 39
圖 2-11 樁頂內一點之節點編號 39
圖 2-12 樁底之節點編號 41
圖 2-13 樁底內一點之節點編號 41
圖 2-14 樁基分析流程圖 43
圖 2-15 樁徑與開裂彎矩關係圖 (摘自宋士豪,2012) 46
圖 2-16 樁徑與降伏彎矩關係圖 (摘自宋士豪,2012) 46
圖 2-17 樁徑與極限彎矩關係圖 (摘自宋士豪,2012) 47
圖 2-18 樁徑與混凝土開裂曲率關係圖 (摘自宋士豪,2012) 47
圖 2-19 樁徑與混凝土降伏曲率關係圖 (摘自宋士豪,2012) 48
圖 2-20 樁徑與混凝土極限曲率關係圖 (摘自宋士豪,2012) 48
圖 2-21 混凝土基樁樁身彎矩和曲率簡化關係示意圖 49
圖 2-22 基線修正前後之速度與位移歷時圖 (摘自 張紹綸,2008) 52
圖 3-1 地震震度指標(IM)和年超越率(λ)之危害度曲線關係圖 59
圖 3-2 地震震度指標(IM)和工程需求參數(EDP)之需求曲線關係圖 59
圖 3-3 地震震度指標(IM)和超越機率(P)之易損曲線關係圖 60
圖 3-4 工程需求參數(EDP)和年超越率(λ)關係圖 60
圖 3-5 地震震度指標(IM)和工程需求參數指標(EDP)關係條狀圖 61
圖 3-6 地震震度指標(IM)和工程需求參數指標(EDP)關係雲狀圖 61
圖 3-7 台灣各主要都市地震危害曲線圖 (重繪自 鄭錦桐,2002) 64
圖 4-1 特二號快速道路位置圖 (摘自Google Map) 66
圖 4-2 特二號道路3×3樁基礎設計圖 (摘自CECI,2011) 66
圖 4-3 特二號地區各測站位置和標示圖 (摘自Google Map) 71
圖 4-4 特二號地區各測站加速度歷時圖 (重繪自 中央氣象局) 72
圖 4-5 成功國小測站鑽探資料和剪力波速剖面圖 (摘自 中央氣象局) 73
圖 4-6 二重國小測站鑽探資料和剪力波速剖面圖 (摘自 中央氣象局) 73
圖 4-7 三光國小測站鑽探資料和剪力波速剖面圖 (摘自 中央氣象局) 74
圖 4-8 昌隆國小測站鑽探資料和剪力波速剖面圖 (摘自 中央氣象局) 74
圖 4-9 國泰國小測站鑽探資料和剪力波速剖面圖 (摘自 中央氣象局) 75
圖 4-10 30m基樁最大位移分布圖 (耐震性能等級I) 83
圖 4-11 30m基樁最大位移分布圖 (耐震性能等級II) 83
圖 4-12 30m基樁最大位移分布圖 (耐震性能等級III) 84
圖 4-13 30m基樁最大位移分布圖 (標靶PGA=0.58g) 84
圖 4-14 30m基樁最大彎矩分布圖 (耐震性能等級I) 85
圖 4-15 30m基樁最大彎矩分布圖 (耐震性能等級II) 85
圖 4-16 30m基樁最大彎矩分布圖 (耐震性能等級III) 86
圖 4-17 30m基樁最大彎矩分布圖 (標靶PGA=0.58g) 86
圖 4-18 30m基樁最大剪力分布圖 (耐震性能等級I) 87
圖 4-19 30m基樁最大剪力分布圖 (耐震性能等級II) 87
圖 4-20 30m基樁最大剪力分布圖 (耐震性能等級III) 88
圖 4-21 30m基樁最大剪力分布圖 (標靶PGA=0.58g) 88
圖 4-22 60m基樁最大位移分布圖 (耐震性能等級I) 93
圖 4-23 60m基樁最大位移分布圖 (耐震性能等級II) 93
圖 4-24 60m基樁最大位移分布圖 (耐震性能等級III) 94
圖 4-25 60m基樁最大位移分布圖 (標靶PGA=0.70g) 94
圖 4-26 60m基樁最大彎矩分布圖 (耐震性能等級I) 95
圖 4-27 60m基樁最大彎矩分布圖 (耐震性能等級II) 95
圖 4-28 60m基樁最大彎矩分布圖 (耐震性能等級III) 96
圖 4-29 60m基樁最大彎矩分布圖 (標靶PGA=0.70g) 96
圖 4-30 60m基樁最大剪力分布圖 (耐震性能等級I) 97
圖 4-31 60m基樁最大剪力分布圖 (耐震性能等級II) 97
圖 4-32 60m基樁最大剪力分布圖 (耐震性能等級III) 98
圖 4-33 60m基樁最大剪力分布圖 (標靶PGA=0.70g) 98
圖 4-34 30m基樁樁身瞬間最大位移及內力分布圖 (耐震性能等級II) 99
圖 4-35 60m基樁樁身瞬間最大位移及內力分布圖 (耐震性能等級II) 100
圖 4-36 30m基樁之IM-EDP關係圖 101
圖 4-37 60m基樁之IM-EDP關係圖 101
圖 4-38 30m基樁之λ-EDP關係圖 102
圖 4-39 60m基樁之λ-EDP關係圖 102
圖 4-40 30m基樁之DM-EDP關係圖 104
圖 4-41 60m基樁之DM-EDP關係圖 104
圖 4-42 30m基樁之λ-DM關係圖 105
圖 4-43 60m基樁之λ-DM關係圖 105
圖 5-1 30m基樁原始和二次彎矩分布圖 107
圖 5-2 60m基樁原始和二次彎矩分布圖 107
圖 5-3 30m基樁受水平力1350 kN之最大位移、彎矩及剪力分布圖 109
圖 5-4 30m基樁受水平力2700 kN之最大位移、彎矩及剪力分布圖 109
圖 5-5 60m基樁受水平力1350 kN之最大位移、彎矩及剪力分布圖 110
圖 5-6 60m基樁受水平力2700 kN之最大位移、彎矩及剪力分布圖 110
圖 5-7 30m基樁面積比3%之最大位移、彎矩及剪力分布圖 111
圖 5-8 60m基樁面積比3%之最大位移、彎矩及剪力分布圖 112
圖 5-9 60m基樁樁頂鉸接之最大位移、彎矩及剪力分布圖 113
圖 5-10 30m基樁N值變化之IM-EDP關係圖 114
圖 5-11 30m基樁N值變化之λ-EDP關係圖 115
圖 5-12 30m基樁N值變化之DM-EDP關係圖 115
圖 5-13 30m基樁N值變化之λ-DM關係圖 116
圖 5-14 60m基樁受動態力之最大位移、彎矩及剪力分布圖 118
圖 5-15 自由場孔隙水壓力增量歷時反應 119
圖 5-16 自由場正規化剪力模數歷時反應 120
圖 5-17 自由場累積體積應變量歷時反應 120
圖 5-18 自由場剪應力-剪應變歷時反應 (設計地震) 121
圖 5-19 自由場剪應力-剪應變歷時反應 (最大考量地震) 121
圖 6-1 60m基樁之λ-DM關係圖 128
圖 6-2 60m基樁之λ-EDP關係圖 128
圖 6-3 本研究所建議之基樁耐震設計流程圖 129
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