樁—土相互作用計(jì)算模型及其在樁基結(jié)構(gòu)抗震分析中的應(yīng)用.pdf

1、作為一種強(qiáng)度高、承載力大、耐久性好的重要深基礎(chǔ)形式,樁基礎(chǔ)在高層建筑、大型廠房、水利水電樞紐、鐵路工程、公路工程、橋梁工程、近海采油平臺(tái)、核電站等土木、水利工程中得到了廣泛應(yīng)用.但由于樁—土—結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的機(jī)理與工作性能極其復(fù)雜,目前仍有很多問題沒有得到徹底解決.為此,本文緊密圍繞樁—土—結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用特性研究中存在的主要問題,在單樁的動(dòng)力阻抗計(jì)算方法與簡(jiǎn)化模型以及單樁、群樁和上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析等方面進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的研究.論

2、文的主要研究?jī)?nèi)容及所取得的研究成果具體包括以下幾個(gè)方面.1.當(dāng)運(yùn)用子結(jié)構(gòu)方法分析樁—土—結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力相互作用特性時(shí),樁基動(dòng)力阻抗的合理確定是一個(gè)關(guān)鍵的問題.本文運(yùn)用土動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理,基于改進(jìn)的Winkler地基梁模型,同時(shí)綜合考慮樁周土的弱化效應(yīng)、地基土的成層非均質(zhì)性以及水平荷載作用時(shí)樁—土界面的相對(duì)分離效應(yīng)和豎向荷載作用時(shí)樁—土界面的相對(duì)滑移效應(yīng),建立了水平荷載和豎向荷載作用下單樁動(dòng)力阻抗的簡(jiǎn)化計(jì)算力學(xué)模型與分析方法,并進(jìn)行

3、了算例分析.2.單樁的動(dòng)力響應(yīng)特性研究是樁—土—結(jié)構(gòu)相互作用分析中的一個(gè)重要而基本的內(nèi)容.本文將樁視為置于Winkler模型地基中的梁,運(yùn)用土動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理,分別對(duì)土和樁建立了波動(dòng)方程與振動(dòng)微分方程,并利用分離變量法進(jìn)行求解,建立了能同時(shí)考慮樁周土在振動(dòng)過程中的弱化效應(yīng)和地基土的成層非均質(zhì)性的單樁簡(jiǎn)諧動(dòng)力響應(yīng)分析的簡(jiǎn)化解析方法.3.群樁是實(shí)際工程中普遍采用的樁基形式,由于要考慮樁—土—樁的相互作用效應(yīng),因此,群樁的動(dòng)力響應(yīng)特性遠(yuǎn)

4、比單樁的復(fù)雜.本文根據(jù)動(dòng)力相互作用系數(shù)的基本定義和求解步驟,引入某些假定,分別計(jì)算了兩根樁之間的水平和豎向動(dòng)力相互作用系數(shù),并對(duì)樁間距與樁直徑之比、兩樁水平連線與荷載作用方向之間的夾角、樁—土剛度比和樁體長細(xì)比等參數(shù)對(duì)水平和豎向動(dòng)力相互作用系數(shù)的影響進(jìn)行了計(jì)算與分析;然后,運(yùn)用動(dòng)力相互作用系數(shù)的疊加原理分別對(duì)群樁的水平和豎向動(dòng)力響應(yīng)特性進(jìn)行了分析,得到了群樁的整體位移、群樁的動(dòng)力阻抗和各單樁分擔(dān)的荷載;最后,針對(duì)具有代表性的2×2群樁和

5、3×3群樁進(jìn)行了算例分析.4.將樁—土—結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)按線性體系考慮時(shí),可以直接在頻率域上進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析,但對(duì)于非線性體系,由于樁基與上部結(jié)構(gòu)之間的相互作用力表現(xiàn)為動(dòng)力阻抗與輸入地震動(dòng)之卷積積分的形式,且動(dòng)力阻抗依賴于激振頻率,因此,在時(shí)域上直接進(jìn)行樁—土—結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用體系的地震響應(yīng)分析就變得十分復(fù)雜和困難,目前對(duì)這個(gè)問題的研究尚不成熟.本文在對(duì)現(xiàn)有分析方法與計(jì)算模型綜合分析的基礎(chǔ)上,提出了一種改進(jìn)的非線性動(dòng)力Winkler模型,并

6、運(yùn)用最小二乘法,通過Matlab語言編程,確定了模型中各物理元件的參數(shù).5.樁—土—結(jié)構(gòu)相互作用體系的抗震性能分析是土木工程實(shí)踐中一個(gè)非常復(fù)雜而且重要的問題.本文首先運(yùn)用子結(jié)構(gòu)分析方法,將上述樁基動(dòng)力阻抗的研究成果和改進(jìn)的非線性動(dòng)力Winkler模型應(yīng)用于樁基結(jié)構(gòu)的抗震分析中;為便于進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證分析,考慮樁—土相互作用效應(yīng),建立了樁基結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析的整體有限元計(jì)算模型,通過對(duì)現(xiàn)有計(jì)算軟件的二次開發(fā),發(fā)展了樁—土—結(jié)構(gòu)體系地震響應(yīng)分析的