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系統識別號 U0002-2607201611224100
中文論文名稱 樁筏基礎受水平地震力作用之簡易分析
英文論文名稱 Simplified Analysis for Piled Raft Foundation Subjected to Horizontal Motion of Earthquake
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 李旻儒
研究生英文姓名 Min-Ju Lee
學號 604380096
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2016-06-29
論文頁數 94頁
口試委員 指導教授-張德文
委員-姚忠達
委員-張德文
委員-葛宇甯
中文關鍵字 樁筏基礎、波動方程、耐震性能分析、地震力、動力分析 
英文關鍵字 Piled raft foundation, Wave equation, dynamic analysis, horizontal earthquake, 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 本研究探討樁筏基礎受震反應,嘗試開發簡易分析程式EQPR (EarthQuake analysis for Piled Raft foundation)進行分析。該分析係建構於筏基的水平振動力平衡之上,藉有限差分法以及代表樁土元素的彈簧力進行求解,具簡易快速特性。研究並與三維有限元素軟體MIDAS-GTS NX 進行動力分析比較。地震紀錄係採用加速度歷時縮放法,配合建築物耐震設計規範及解說規定,將地震紀錄縮放至不同地震等級PGA值,以供耐震性能評估分析使用。本研究並藉EQPR分析探討樁筏基礎參數變化,同時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)探討基樁耐震性能特性,討論不同耐震性能目標下樁身最大位移和彎矩狀況。
以新北市林口區大型煤倉樁筏基礎構造為例,研究發現: EQPR分析與有限元素分析在基礎位移量的預測上較為一致,但上構力的模擬會使得不同分析結果產生差異;基樁彎矩和剪力將受筏樁介面之邊界條件影響而產生差異。本案例中,有限元素預測的結構位移和內力均較EQPR稍大。大型樁筏基礎在水平地震力作用下,作用於基樁的地震力皆一致,故可藉單樁方式進行耐震分析。由於EQPR分析係以筏基下方等值墩基提供傳遞力,故墩基彈簧模式選取至為重要。當樁徑減少將會降低筏基位移量,當樁長縮短將會造成筏基位移量增加,樁數變化結果並不明顯。當改變煤灰土層剪力波速時,隨著剪力波速上升,筏基絕對位移量會下降;而當改變煤灰層土壤厚度時,隨著厚度增加,筏基位移量將會下降。上部結構對基礎位移之影響顯著,若將上部結構物納入分析,筏基之絕對位移量將會降低。上構和筏基位移比值R將介於0.5~1.2間。 研究同時發現場址軟土層厚度將對上述觀察造成影響。另以基樁耐震性能而言,若以水平地震觀察,筏基內力之重要性不及樁基,其設計仍以基樁耐震性能為主軸。本研究係以上構力均佈作用於筏樁的方式討論基樁之耐震性能,研究發現無論在中小地震、設計地震和最大考量地震下,基樁的耐震性能皆無虞,惟作用樁頂的起始力將會影響基樁彎矩容量,分析者必須慎之。
英文摘要 This study intends to discuss the simplified modeling for seismic responses of piled raft foundation subjected to horizontal earthquakes. The simplified modeling is suggested solving the differential equation based on force equilibriums of the raft with central difference formulas. The pile-soil-pile and soil elements underneath the raft were modeled by springs. This study also uses three-dimensional finite element analysis on MIDAS GTS NX program to verify the simplified solutions. Seismic performance of the piles was assessed using one-dimensional wave-equation analysis with PBEE procedures. For the moderate, design and the maximum consideration earthquakes, the seismic behaviors of the piled raft foundation could be evaluated using target PGAs based on calibration method. The maximum displacement and bending moments of the piles could be checked to reveal the assessment.
Numerical examples were conducted for piled raft foundations underneath the coal bunkers located at Linkou District in New Taipei City. The study reveals that: Foundation displacements obtained from the EQPR and 3D FEM analyses were found agreeable, however the super-structural load will affect the solutions. The internal stresses of the piles would be affected by the boundary conditions assumed at the interface between the pile head and the raft. In the case studied, the finite element analysis would result in larger internal stress and foundations displacement than the simplified analysis. The grouped pile foundation can be analyzed by a single pile because the horizontal seismic motions in any piles were found consistent. The simplified analysis was able to obtain the seismic force transmitting through the equivalent piers to the foundation. The foundation displacement will be decreased when reducing the pile diameter, whereas it will be increased by reducing pile length. Varying the number of piles seems not affect the results significantly. The foundation displacement will be slightly decreased with the increase of the shear wave velocity of soft soils. As the thickness of the soft layer increases, foundation displacement also tends to decrease. The displacement ratio R between the super-structure and the raft was found in a range of 0.5~1.2. With uniform loads applied at the piled raft foundation, the seismic performance of the piles were found safe at respective earthquake levels. The analysts should be cautious knowing that the loads on the pile head would affect moment capacities of the piles, in which the assessment could yield different result.
論文目次 中文摘要
英文摘要
目錄……………… I
表目錄…………. I
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 研究內容 2
第二章 文獻回顧 4
§2-1 樁筏基礎分析模擬 4
§2-2 樁基礎設計與分析 5
§2-3 樁基礎耐震設計 7
§2-4 波動方程地震分析 10
§2-5 地震工程性能(PBEE)分析 12
第三章 理論與方法 16
§3-1 條型筏基礎主控方程式推導 16
§3-1-2 等值墩基模擬方法 19
§3-2 有限元素法 21
§3-2-1 有限元素基本步驟 22
§3-2-2 有限元素軟體MIDAS-GTS NX 24
§3-2-3 MIDAS-GTS NX動力分析 25
§3-2-4 土壤與結構材料模式說明 26
第四章 人工合成地震生成及條型基礎案例分析 29
§4-1案例說明 29
§4-2地震生成 33
§4-2-1原始地震紀錄特性 37
§4-2-2縮放地震紀錄特性 42
§4-3參數研究 53
§4-3-1樁徑影響 55
§4-3-2樁長影響 56
§4-3-3樁數影響 57
§4-3-4煤灰土層剪力波速影響 58
§4-3-5煤灰層厚度影響 59
§4-3-6水平地震斜角影響 60
§4-3-7上部結構物位移比影響 62
§4-3-8上部結構物重量影響 64
§4-3-9 樁基礎反應-瞬間最大變形、內力分佈狀況 65
§4-4 摩擦樁案例 66
§4-4-1 樁徑影響 67
§4-4-2 樁長影響 68
§4-4-3 樁數影響 69
§4-4-4 土層厚度影響 70
§4-4-5 土層剪力波速影響 71
§4-4-6 水平地震斜角影響 72
§4-4-7 上部結構物位移比影響 73
§4-4-8 上部結構物重量影響 75
第五章 耐震性能分析 76
§5-1 耐震性能評估-λ vs IM 77
§5-1-1 耐震性能評估-樁身最大位移 78
§5-1-2 耐震性能評估-樁身最大彎矩 80
§5-1-3 耐震安全係數 84
第六章 結論與建議 85
§6-1 結論 85
§6-2 展望與建議 87
參考文獻……………………………………………………………………………….88
表3-1 MIDAS-GTS NX 三維分析種類 24
表4-1軟岩材料參數 31
表4-2 煤灰材料參數 32
表4-3 地震觀測站地震資料 (摘自 中央氣象局) 34
表4-4 林口區之工址短週期設計及最大考量水平譜加速度係數SDS、SMS,及短週期與中週期分界之轉換週期T0D、T0M (摘自 建築物耐震設規範及解說,2011) 35
表4-5 一般工址或近斷層之工址設計水平加速度反應係數SaD 35
表4-6 一般工址或近斷層之工址最大考量水平加速度反應譜係數SaM 35
表4-7 基本案例材料參數表 54
表5-1 28m基樁受動態水平力耐震分析結果(PGA=0.06g) 82
表5-2 28m基樁受動態水平力耐震分析結果(PGA=0.24g) 82
表5-3 28m基樁受動態水平力耐震分析結果(PGA=0.32g) 83
表5-4 28m基樁受動態水平力耐震安全係數 84
表6-1 點承樁案例數值模型分析時間比較 86
圖1-1 研究流程圖 3
圖2-1 樁筏基礎近似解分析(靜力、動力分析) 4
圖2-2基樁設計流程圖 6
圖2-3基樁耐震設計流程圖 9
圖2-4 樁基受震波動方程分析示意圖 11
圖2-5 EQWEAP分析程序示意圖 11
圖2-6 地震震度指標(IM)和工程需求參數指標(EDP)關係條狀圖 15
圖2-7 地震震度指標(IM)和工程需求參數指標(EDP)關係雲狀圖 15
圖3-1 節塊力平衡示意圖 16
圖3-2 等值墩基示意圖 19
圖3-3 有限元素法分析流程圖 22
圖3-4 動力分析歷時設定示意圖 25
圖3-5 彈性-完全塑性模式關係圖 26
圖3-6 體積壓力和應力應變關係圖 28
圖3-7 修正劍橋黏土(Modified Cam-clay) 28
圖4-1 長條型基礎、樁環形配置及節點分析式意圖 30
圖4-2 Midas-GTS 模型示意圖 30
圖4-3案例地區各測站位置圖 34
圖4-4 林口區水平加速度設計地震反應譜 36
圖4-5 林口區水平加速度最大考量地震反應譜 36
圖4-6 921TAP049 原始地震特性 38
圖4-7 921TAP051 原始地震特性 38
圖4-8 921TAP052 原始地震特性 39
圖4-9 331TAP049 原始地震特性 40
圖4-10 331TAP052 原始地震特性 40
圖4-11 331TCU005 原始地震特性 41
圖4-12 921TAP049 縮放地震(PGA=0.06g)特性 44
圖4-13 921TAP051 縮放地震(PGA=0.06g)特性 44
圖4-14 921TAP052 縮放地震(PGA=0.06g)特性 45
圖4-15 331TAP049 縮放地震(PGA=0.06g)特性 45
圖4-16 331TAP052 縮放地震(PGA=0.06g)特性 46
圖4-17 331TCU005 縮放地震(PGA=0.06g)特性 46
圖4-18 921TAP049 縮放地震(PGA=0.24g)特性 47
圖4-19 921TAP051 縮放地震(PGA=0.24g)特性 47
圖4-20 921TAP052 縮放地震(PGA=0.24g)特性 48
圖4-21 331TAP049 縮放地震(PGA=0.24g)特性 48
圖4-22 331TAP052 縮放地震(PGA=0.24g)特性 49
圖4-23 331TCU005 縮放地震(PGA=0.24g)特性 49
圖4-24 921TAP049 縮放地震(PGA=0.32g)特性 50
圖4-25 921TAP051 縮放地震(PGA=0.32g)特性 50
圖4-26 921TAP052 縮放地震(PGA=0.32g)特性 51
圖4-27 331TAP049 縮放地震(PGA=0.32g)特性 51
圖4-28 331TAP052 縮放地震(PGA=0.32g)特性 52
圖4-29 331TCU005 縮放地震(PGA=0.32g)特性 52
圖4-30 EQPR與Midas-GTS x向及y向位移歷時示意圖 54
圖4-31樁徑之(a)位移歷時圖(b)絕對位移圖(c)相對位移圖 55
圖4-32樁長之(a)位移歷時圖(b)絕對位移圖(c)相對位移圖 56
圖4-33樁數之(a)位移歷時圖(b)絕對位移圖(c)相對位移圖 57
圖4-34剪力波速之(a)位移歷時圖(b)絕對位移圖(c)相對位移圖 58
圖4-35煤灰層厚度之(a)位移歷時圖(b)絕對位移圖(c)相對位移圖 59
圖4-36 地震震動方向及斜角示意圖 61
圖4-37地震斜角之(a)位移歷時圖(b)絕對位移圖(c)相對位移圖 61
圖4-38 結構物位移比R之(a)位移歷時圖(b)絕對位移圖(c)相對位移圖 63
圖4-39 (a)結構物相對位移歷時圖(b)結構物絕對位移歷時圖(c)位移比R值歷時圖 63
圖4-40 結構物載重之(a)位移歷時圖(b)絕對位移圖(c)相對位移圖 64
圖4-41 28m基樁樁身受動態水平力瞬間最大位移及內力分佈圖 65
圖4-42 28m基樁樁身受動態水平力瞬間最大位移及內力分佈圖 65
圖4-43 摩擦樁案例示意圖 66
圖4-44 樁徑之(a)位移歷時圖(b)絕對位移圖(c)相對位移圖 67
圖4-45 樁長之(a)位移歷時圖(b)絕對位移圖(c)相對位移圖 68
圖4-46 樁數之(a)位移歷時圖(b)絕對位移圖(c)相對位移圖 69
圖4-47 土層厚度之(a)位移歷時圖(b)絕對位移圖(c)相對位移圖 70
圖4-48 土層剪力波速之(a)位移歷時圖(b)絕對位移圖(c)相對位移圖 71
圖4-49 地震斜角之(a)位移歷時圖(b)絕對位移圖(c)相對位移圖 72
圖4-50結構影響參數R之(a)位移歷時圖(b)絕對位移圖(c)相對位移圖 74
圖4-51 (a)結構物相對位移歷時圖(b)結構物絕對位移歷時圖(c)位移比R值歷時圖 74
圖4-51結構物載重之(a)位移歷時圖(b)絕對位移圖(c)相對位移圖 75
圖5-1 林口區第三類地盤危害度曲線回歸圖 77
圖5-2 28m基樁受動態水平力之IM-EDP關係圖 78
圖5-3 28m基樁受動態水平力之λ-EDP關係圖 79
圖5-4 28m基樁受動態水平力之DM-EDP關係圖 81
圖5-5 28m基樁受動態水平力之λ-DM關係圖 81



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