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系統識別號 U0002-2007201616290700
中文論文名稱 樁筏基礎靜態與地震行為之案例研究
英文論文名稱 Case Studies on Static and Seismic Behaviors of Piled Raft Foundations
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 104
學期 2
出版年 105
研究生中文姓名 洪明揚
研究生英文姓名 Ming-Yang Hong
學號 603380089
學位類別 碩士
語文別 中文
第二語文別 英文
口試日期 2016-06-29
論文頁數 140頁
口試委員 指導教授-張德文
委員-葛宇甯
委員-盧之偉
委員-張德文
中文關鍵字 樁筏基礎  靜態行為  地震行為  物理模型  實際案例  三維有限元素分析 
英文關鍵字 Piled raft foundation  static behavior  seismic behavior  physical Model  case study  three-dimensional finite element analysis 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 本研究係以有限元素軟體MIDAS/GTS進行樁筏基礎結構之三維力學分析,觀察樁筏基礎數值模型在靜態(垂直向和水平向荷載)與受水平地震力之行為。研究案例包括:1. 物理模型實驗結果,2. 大型煤倉樁筏基礎,3. 環狀群樁基礎。研究首先以有限元素分析模擬物理模型實驗結果,另藉有限元素分析觀察實際樁筏基礎之靜態與受震行為。基礎靜態行為除參考前期成果和本研究內容加以印證外,其受震行為和耐震性能評估則另以一維波動方程EQWEAP分析以及PBEE法做為比較和評估依據,並據以討論大型煤倉基礎和環狀群樁基礎在不同地震等級下之基樁耐震性能。相關地震紀錄係依據建築物耐震設計技術規範之中小地震、設計地震與最大考量地震所對應的案例場址最大地表加速度,以中央氣象局資料庫所收集之原始地震資料進行修正而生成。
研究結果顯示:採加速度譜修正法(Design Spectrum Based Calibration)所生成地震資料其位移特性並不合理,而採最大地表加速度縮放法(PGA Based Calibration)所修正的地震資料可保有合理的地表振動特性。由物理模型之靜力分析可知,有限元素分析結果將與材料參數設定密切相關,其中介面元素勁度和材料強度參數選擇均會影響分析結果。由大型煤倉樁筏基礎與環狀群樁基礎之靜力分析可知:其在均佈力作用下的版基和基樁位移與力分配性將受基樁配置方式和作用力方向影響,樁體軸力、摩擦力與樁底反作用力可藉由內力之後處理計算而得,相對軟弱場址的樁基礎所受之總力比例將遠較較堅硬地層的樁基礎受力為高,水平向又較垂直向為高。採用實體元素模擬基樁和採梁元素和實體元素混合方式模擬基樁所產生的差異甚有限。從大型樁筏基礎和環狀群樁基礎的水平受震位移歷時分析可知:基樁在此運動下將為結構系統之耐震關鍵,環狀群樁基礎之基樁將較大型單一樁筏基礎之基樁更受其所在位置影響,其中縱向側基樁位移較橫向側基樁為大。根據耐震性能評估,大型煤倉樁筏基礎之基樁在中小和設計地震下安全無虞,但在最大考量地震影響下,樁體在地層勁度明顯差異處將有破壞現象產生。環狀群樁基礎無論在各式地震等級下,均無破壞之虞。樁頂和筏基交接處若以剛性端視之將導致過大彎矩,不利於耐震性能評估。
英文摘要 This study intends to discuss the case studies on static and seismic behaviors of piled raft foundations using the three-dimensional finite element analyses based on the MIDAS/GTS program. The numerical models of case studies include: 1. Physical model test, 2. Mega-size piled raft foundation, 3, Ring shaped pile group foundation. Static behaviors of the models were studied first. The assessments on seismic performance for case 2 and case 3 were made using one-dimensional wave-equation program EQWEAP under different levels of earthquake. The moment capacities of the piles were calculated and used to verify the damages of the pile. Acceleration records at seismic stations near to the foundation sites were obtained and calibrated to moderate, design and maximum consideration earthquake levels in correspondence with the seismic design code in Taiwan (2011) by PGA calibration method.
The study reveals hat: seismic data calibrated by the design spectrum method were not that rational, the PGA calibration method would provide feasible ground vibrations. According to the result of physical modeling, the material model parameters and the interface element between piles and soils will affect much the simulations. The load and displacement distributions will be influenced by the load directions with respect to the pile orientation. Internal stresses of the foundation can be computed by the post process based on FEM analysis. Lower ground stiffness and horizontal seismic forces will increase the loads carried by the pile foundation. Using the solid elements and hybrid solid-beam elements to model the pile will yield similar results. From the results of foundation studies, the piles are the keys to the safety design of the foundation. The influence of the pile location is typically important for the ring-shaped pile group foundation rather than the mega-size piled raft foundation. The displacements of the piles parallel to the direction of the seismic force were found larger than those of the piles perpendicular to the force. According to the seismic performance assessments, the mega-size foundation would be safe at the levels of moderate and design earthquakes, however it would be vulnerable to the maximum consideration earthquake. The ring-shaped foundation would be safe in different levels of the earthquake. The rigid connection presumed at the interface of the raft and the piles will provide larger internal bending moment at the pile head, which would result in conservative assessment.
論文目次 目錄 I
表目錄 IV
圖目錄 V
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研究流程 3
第二章 文獻回顧 5
§2-1地工性能設計方法 5
§2-2耐震性能評估 6
§2-3樁筏基礎之模擬分析方法 10
§2-3-1一維波動方程軟體EQWEAP 11
§2-3-2有限元素法 12
第三章 理論與方法 14
§3-1 有限元素軟體MIDAS/GTS 14
§3-1-1 MIDAS/GTS簡介 15
§3-1-2 MIDAS/GTS分析模式 17
§3-1-3 MIDAS/GTS土壤材料模式 18
§3-1-4邊界條件設置 19
§3-1-5 MIDAS/GTS介面元素設定 20
§3-1-6 MIDAS/GTS數值模型建構步驟 22
§3-2 MIDAS/GTS分析設定介紹 26
§3-3地震資料生成方法 30
§3-4地震反應分析程式PRISM 33
第四章 地震資料生成 34
§4-1地震資料討論 34
§4-1-1地震觀測站資料 34
§4-2地震紀錄整理 37
§4-2-1原始地震紀錄特性 37
§4-2-2地震紀錄特性整理與修正 43
§4-4-2-1地震資料生成-最大尖峰加速度修正 45
§4-4-2-2地震資料生成-加速度譜修正 51
第五章 分析案例與數值模型介紹 63
§5-1模型建構作業概述 63
§5-2數值模型建立之前置設定 64
§5-3案例之數值模型介紹 66
§5-3-1數值模型之材料模式選擇 72
§5-3-2案例模擬之材料參數設定 75
第六章 案例行為研究 78
§6-1 案例一、縮尺模型分析 78
§6-1-1垂直豎向均佈力 78
§6-1-2水平側向均佈力 83
§6-2案例二之樁筏基礎分析 87
§6-2-1垂直均佈力作用探討 87
§6-2-2水平均佈力作用探討 93
§6-2-3樁基礎受震行為觀察 99
§6-3案例三之樁筏基礎案例分析 104
§6-3-1垂直均佈力作用探討 104
§6-3-2水平均佈力作用探討 110
§6-3-3樁基礎受震行為觀察 116
§6-4耐震性能評估 120
§6-4-1耐震性能評估-λvs IM 121
§6-4-2耐震性能評估-樁身最大位移 122
§6-4-3耐震性能評估-樁身最大彎矩 124
§6-4-4耐震性能評估-耐震安全係數 128
§6-4-5上構載重對耐震性能彎矩之影響 129
第七章 結論與建議 131
§7-1結論 131
§7-2建議與展望 135
參考文獻 137
表目錄
表2-1 以MIDAS/GTS進行學術研究之文獻整理 13
表3-1 MIDAS/GTS三維分析種類整理 16
表3-2 MIDAS/GTS三維分析模式說明 17
表3-3 MIDAS/GTS土壤材料模式說明 18
表3-4地盤分類 (整理自 建築物耐震設計規範,2011) 32
表4-1案例二分析使用之觀測站地震資料(摘自 中央氣象局) 36
表4-2案例三分析使用之觀測站地震資料(摘自 中央氣象局) 36
表4-3案例地區工址短週期加速度係數SDS/SMS與轉換週期T0D與T0M 43
表4-4一般工址或近斷層之工址設計、最大水平譜加速度係數SaD、SaM 43
表5-1案例一之縮尺模型材料參數 76
表5-2案例二之樁筏基礎-煤灰(Coal Ash)材料參數 76
表5-3案例二之樁筏基礎-軟岩(Soft Rock)材料參數 77
表5-4案例三之環型基礎-卵礫石粉質砂土材料參數 77
表5-5案例二、三之基礎混凝土材料參數 77
表6-1案例二之基樁受動態水平力作用之耐震分析結果 126
表6-2案例三之基樁受動態水平力作用之耐震分析結果 127
表6-3各案例之基樁受動態水平力作用之耐震安全係數 128
表6-4案例二基樁受不同軸向力影響之動態水平力分析結果比較 129
表6-5案例三基樁受不同軸向力影響之動態水平力分析結果比較 130
表7-1案例二之數值模型在動態歷時分析耗時比較 134
表7-2案例三之數值模型在動態歷時分析耗時比較 134
圖目錄
圖1-1研究流程 4
圖2-1地震震度指標(IM)和年超越率(λ)之危害度曲線關係圖 8
圖2-2地震震度指標(IM)和工程需求參數(EDP)之需求曲線關係圖 8
圖2-3工程需求參數(EDP)和年超越率(λ)關係圖 9
圖2-4地震震度指標(IM)和工程需求參數指標(EDP)關係圖 9
圖2-5樁基受震波動方程分析示意圖 11
圖2-6 EQWEAP分析程序示意圖 11
圖2-7有限元素法分析流程 12
圖3-1 MIDAS/GTS程式開始介面 14
圖3-2 三維模型邊界自由度束制示意圖 19
圖3-3 介面元素之Coulomb Friction function定義 20
圖3-4 MIDAS/GTS介面元素設定畫面 21
圖3-5 MIDAS/GTS數值模型建構流程說明 23
圖3-6在MIDAS/GTS梁元素(Beam element)之元素座標系與內力示意圖 24
圖3-7節點自由度數量不同之元素連接處理(梁元素與板元素) 25
圖3-8 以梁元素建立樁基礎之說明示意 25
圖3-9 MIDAS/GTS靜力分析之工作階段前置設定 26
圖3-10 MIDAS/GTS地震歷時輸入設定 27
圖3-11 MIDAS/GTS特徵值分析設定 27
圖3-12 MIDAS/GTS歷時分析設定 28
圖3-13 MIDAS/GTS歷時數據擷取 29
圖3-14最大尖峰加速度修正示意圖 30
圖3-15加速度譜修正示意圖 31
圖3-16 PRISM程式之地震特性與基線修正 33
圖3-17 PRISM程式之地震反應譜繪製 33
圖4-1案例二與測站之相對位置圖 35
圖4-2案例三與測站之相關位置圖 35
圖4-3案例二_921TAP052原始地震特性 37
圖4-4案例二_921TAP051原始地震特性 38
圖4-5案例二_921TAP049原始地震特性 38
圖4-6案例二_331TAP052原始地震特性 39
圖4-7案例二_331TAP049原始地震特性 39
圖4-8案例二_331TCU005原始地震特性 40
圖4-9案例三_921TCU064原始地震特性 40
圖4-10案例三_921TCU059原始地震特性 41
圖4-11案例三_921TCU038原始地震特性 41
圖4-12案例三_331TCU059原始地震特性 42
圖4-13案例三_331TCU038原始地震特性 42
圖4-14案例二之林口區第三類地盤水平加速度反應譜 44
圖4-15案例三之大安區第二類地盤水平加速度反應譜 44
圖4-16案例二_921TAP052最大尖峰(PGA=0.06g)修正特性 45
圖4-17案例二_921TAP051最大尖峰(PGA=0.06g)修正特性 46
圖4-18案例二_921TAP049最大尖峰(PGA=0.06g)修正特性 46
圖4-19案例二_331TAP052最大尖峰(PGA=0.06g)修正特性 47
圖4-20案例二_331TAP049最大尖峰(PGA=0.06g)修正特性 47
圖4-21案例二_331TCU005最大尖峰(PGA=0.06g)修正特性 48
圖4-22案例三_921TCU064最大尖峰(PGA=0.09g)修正特性 48
圖4-23案例三_921TCU059最大尖峰(PGA=0.09g)修正特性 49
圖4-24案例三_921TCU038最大尖峰(PGA=0.09g)修正特性 49
圖4-25案例三_331TCU059最大尖峰(PGA=0.09g)修正特性 50
圖4-26案例三_331TCU038最大尖峰(PGA=0.09g)修正特性 50
圖4-27案例二_921TAP052 (PGA=0.24g)修正特性比較 52
圖4-28案例二_921TAP051 (PGA=0.24g)修正特性比較 52
圖4-29案例二_921TAP049 (PGA=0.24g)修正特性比較 53
圖4-30案例二_331TAP052 (PGA=0.24g)修正特性比較 53
圖4-31案例二_331TAP049 (PGA=0.24g)修正特性比較 54
圖4-32案例二_331TCU005 (PGA=0.24g)修正特性比較 54
圖4-33案例三_921TCU064 (PGA=0.35g)修正特性比較 55
圖4-34案例三_921TCU059 (PGA=0.35g)修正特性比較 55
圖4-35案例三_921TCU038 (PGA=0.35g)修正特性比較 56
圖4-36案例三_331TCU059 (PGA=0.35g)修正特性比較 56
圖4-37案例三_331TCU038 (PGA=0.35g)修正特性比較 57
圖4-38案例二_921TAP052 (PGA=0.32g)修正特性比較 57
圖4-39案例二_921TAP051 (PGA=0.32g)修正特性比較 58
圖4-40案例二_921TAP049 (PGA=0.32g)修正特性比較 58
圖4-41案例二_331TAP052 (PGA=0.32g)修正特性比較 59
圖4-42案例二_331TAP049 (PGA=0.32g)修正特性比較 59
圖4-43案例二_331TCU005 (PGA=0.32g)修正特性比較 60
圖4-44案例三_921TCU064 (PGA=0.44g)修正特性比較 60
圖4-45案例三_921TCU059 (PGA=0.44g)修正特性比較 61
圖4-46案例三_921TCU038 (PGA=0.44g)修正特性比較 61
圖4-47案例三_331TCU059 (PGA=0.44g)修正特性比較 62
圖4-48案例三_331TCU038 (PGA=0.44g)修正特性比較 62
圖5-1筏基版、樁基礎區域與周圍土層之網格切割示意圖 65
圖5-2三維數值模型網格元素剖面圖 65
圖5-3縮尺模型實驗基礎儀器配置與數值模型 66
圖5-4-1案例二之新北市林口區煤倉基礎配置圖 67
圖5-4-2案例二之樁筏基礎配置與數值模型 68
圖5-4-3樁基礎(加梁元素)數值模型與一維梁元素之特性設定 69
圖5-4-4梁元素與土層間之接觸介面設定示意圖 69
圖5-5-1案例三之台中市大安區神像底部環形基礎配置圖 70
圖5-5-2案例三之樁筏基礎配置與數值模型 71
圖5-6彈性完全塑性模式 72
圖5-7體積壓力和應力應變之間的關係 73
圖5-8修正劍橋黏土(Modified Cam-Clay)模式之特性與參數定義 74
圖5-9臨界狀態比容定義 74
圖6-1縮尺模型之垂直均佈力加載示意圖 78
圖6-2縮尺模型剖面圖-垂直加載分析之土層應力分布趨勢 79
圖6-3樁基礎沉陷量分析比較 80
圖6-4樁基礎軸力分析與比較 81
圖6-5樁基礎摩擦力分析與比較 82
圖6-6縮尺模型水平均佈力加載示意圖 83
圖6-7縮尺模型剖面圖-水平加載分析之土層應力分布趨勢 84
圖6-8樁基礎正規化側向位移分析與比較 85
圖6-9樁基礎彎矩分析與比較 86
圖6-10案例二之基礎垂直均佈力加載示意圖 87
圖6-11案例二之樁基礎沉陷量透視圖 88
圖6-12案例二之樁基礎(加梁元素)沉陷量透視圖 88
圖6-13案例二之樁筏基礎受垂直均佈力之變形側視圖 89
圖6-14案例二之樁基礎沉陷量分析結果比較 89
圖6-15案例二之樁筏基礎受垂直均佈力之應力分布透視圖 90
圖6-16案例二之筏基底面受垂直均佈力之應力分布 91
圖6-17案例二之樁基受垂直均佈力之應力分布透視圖 91
圖6-18案例二之樁基軸力與摩擦力分析比較 92
圖6-19案例二之基礎水平均佈力加載示意圖 93
圖6-20案例二之樁基礎水平側向位移量透視圖 94
圖6-21案例二之樁基礎(加梁元素)水平側向位移量透視圖 94
圖6-22案例二之基礎受水平均佈力作用之變形側視圖 95
圖6-23案例二之樁基側向位移結果比較 95
圖6-24案例二之樁筏基礎受水平均佈力作用之應力分布 96
圖6-25案例二之筏基底面受水平均佈力作用之應力分布 96
圖6-26案例二之樁基受水平均佈力作用之應力分布 97
圖6-27案例二之樁基礎彎矩與剪力分析比較 98
圖6-28案例二之自由場與基礎受設計地震之歷時位移比較 99
圖6-29案例二之單一基礎動力分析之樁頂歷時位移結果 100
圖6-30案例二之連續基礎之數值模型 100
圖6-31案例二之連續基礎動力分析之樁頂歷時位移結果 101
圖6-32案例二之單一/連續基礎與單樁分析之樁頂歷時位移比較 101
圖6-33案例二之樁基礎受震產生之瞬時行為分布 103
圖6-34案例三之基礎垂直均佈力加載示意圖 104
圖6-35案例三之環型樁筏基礎沉陷量透視圖 105
圖6-36案例三之樁基沉陷量透視圖 105
圖6-37案例三之樁基沉陷量分析結果比較 106
圖6-38案例三之環型樁筏基礎受垂直均佈力之變形側視圖 106
圖6-39案例三之環型基礎受垂直均佈力之應力分布透視圖 107
圖6-40案例三之樁帽底面受垂直均佈力之應力分布 108
圖6-41案例三之樁基受垂直均佈力之應力分布透視圖 108
圖6-42案例三之樁基軸力與摩擦力分析之比較 109
圖6-43案例三之基礎水平均佈力加載示意圖 110
圖6-44案例三之環型樁筏基礎水平側向位移量透視圖 111
圖6-45案例三之樁基水平側向位移量透視圖 111
圖6-46案例三之樁基側向位移分析結果比較 112
圖6-47案例三之環型樁筏基礎受水平均佈力作用之變形側視圖 113
圖6-48案例三之環型樁筏基礎受水平均佈力之應力分布透視圖 113
圖6-49案例三之樁基受水平均佈力之應力分布透視圖 114
圖6-50案例三之樁基彎矩分析比較 114
圖6-51案例三之樁基剪力分析比較 115
圖6-52案例三之自由場與基礎受設計地震之歷時位移比較 116
圖6-53案例三之環型基礎動力分析之樁頂歷時位移結果 117
圖6-54案例三之環型基礎與單樁分析之樁頂歷時位移比較 117
圖6-55案例三之樁基礎受震產生之瞬時行為分布 119
圖6-56案例二之林口地區危害度曲線之迴歸圖 121
圖6-57案例三之大安地區危害度曲線之迴歸圖 121
圖6-58案例二之基樁受動態水平力作用之IM-EDP關係圖 122
圖6-59案例三之基樁受動態水平力作用之IM-EDP關係圖 122
圖6-60案例二之基樁受動態水平力作用之λ- EDP關係圖 123
圖6-61案例三之基樁受動態水平力作用之λ- EDP關係圖 123
圖6-62案例二之基樁受動態水平力作用之DM-EDP關係圖 124
圖6-63案例三之基樁受動態水平力作用之DM-EDP關係圖 124
圖6-64案例二之基樁受動態水平力作用之λ- DM關係圖 125
圖6-65案例三之基樁受動態水平力作用之λ- DM關係圖 125

參考文獻 第一部分、英文 (按英文字母順序排列)
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