钢护筒钢筋混凝土桩大水位差深水码头结构力学性能试验研究

摘要

本文结合“重庆市重大科技专项（交通基础设施建设）——重庆港大水位差深水码头设计、建设关键技术攻关与应用”研究项目，依托重庆果园港码头结构二期工程，开展了钢护筒钢筋混凝土桩大水位差深水码头结构力学性能试验研究和数值模拟研究。主要的研究内容和相关结论有:
　　①结合实际工程，完成了模型设计，包括模型材料的确定、材料参数的确定、模型材料的换算、模型的制作、测点的布置及加载的设计，并利用数学编程软件Matlab对大量试验数据进行了提取及整理。
　　②根据试验模型，运用有限元软件Ansys分别建立了考虑钢护筒和钢筋混凝土桩接触的简化实体单元模型，以及未考虑钢护筒和钢筋混凝土桩接触的梁单元模型。对比分析了两种建模方法的差异性。结合试验测试数据对比可知，简化实体模型和试验数据吻合度较好，主要是由于实体模型能较真实的反映复合材料各自的受力特点、钢构件焊接点刚度特征和截面的不规则性，但也及易受焊接截面不规则性和集中荷载引起的应力集中的影响。
　　③运用简化实体模型的建模方法建立了原型结构的数值模型，开展了原型和模型的对比分析，完成了模型到原型的推算。并分析了同一竖向荷载或水平荷载作用下最不利排架中桩基的力学特性，以及不同竖向荷载或横向荷载作用下钢筋混凝土桩、钢横撑、钢靠船立柱和钢前撑的力学特性。明确了单一荷载作用下结构的薄弱环节及各构件最不利的关键点，为分析组合效应的力学机理提供了依据，也为新型码头结构的优化提供了参考。
　　④钢护筒钢筋混凝土桩在单一竖向荷载或横向荷载作用下，从桩顶到钢构件焊接点，钢护筒的等效应力值占桩的80％左右。从钢构件焊接点到桩底，当竖向荷载作用时，钢护筒发挥的作用逐渐减小，钢筋混凝土桩逐渐发挥作用;当横向荷载作用时，桩的岸侧处于最不利状态，钢护筒岸侧的应力分布基本呈倒“R”型，此区段发挥承力的主要作用，钢筋混凝土桩也逐渐发挥作用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 三峡成库后新型码头结构研究现状

1．3 高桩码头结构模型试验研究现状

1．4 钢护筒钢筋混凝土桩的研究现状

1．5 钢梁—钢管混凝土柱节点的研究现状

1．6 主要研究内容及方法

第二章 结构试验设计

2．1 模型试验的背景和目的

2．1．1 模型试验的背景

2．1．2 模型试验的目的

2．2 相似理论基本定理

2．2．1 第一相似理论

2．2．2 第二相似理论

2．2．3 第三相似理论

2．3 相似准则的确定方法

2．3．1 方程分析法

2．3．2 量纲分析法

2．4 静力结构模型相似关系

2．4．1 量纲分析法导出相似条件

2．4．2 结构静力模型的相似常数的确定

2．5 模型材料的选择及其力学性能

2．5．1 模型材料的选择

2．5．2 材料力学性能的确定

2．6 模型相关参数换算

2．6．1 模型的基本尺寸

2．6．2 模型边界条件的确定

2．6．3 模型各构件的配筋换算

2．6．4 模型各构件换算汇总

2．7 模型的制作

2．8 结构试验荷载的设计

2．8．1 试验荷载的换算

2．8．2 试验加载设备

2．8．3 试验加载程序设计

2．9 结构试验量测设计

2．9．1 模型测点的布置

2．9．2 模型量测装置

2．10 本章小结

第三章 模型的有限元分析

3．1 有限元理论简介

3．2 接触分析的基本概念

3．3 基于Ansys的接触分析

3．3．1 接触分类

3．3．2 接触分析的相关设置

3．4 钢筋混凝土等效模量

3．4．1 钢筋混凝土等效模量理论

3．4．2 模型结构钢筋混凝土等效模量计算

3．5 考虑钢护筒和钢筋混凝土桩接触的有限元模型的建立

3．5．1 基本假定及参数设置

3．5．2 约束条件及连接处理

3．5．3 接触的设置

3．6 不考虑钢护筒和钢筋混凝土桩接触的有限元模型的建立

3．7 计算荷载

3．8 计算结果比较

3．9 计算结果分析

3．10 本章小结

第四章 试验结果和数值结果的处理分析

4．1 试验结果的处理

4．1．1 数据的拟合和输出

4．1．2 应力和应变的转化

4．2 试验结果和数值结果对比及分析

4．2．1 试验结果和数值结果对比

4．2．2 对比结果分析

4．3 本章小结

第五章 原型结构的力学特性

5．1 原型数值模型的建立

5．2 原型和模型的对比分析

5．3 同一工况作用下同一榀排架中桩Z1～Z4力学特性

5．4 不同工况作用下同一构件的力学特性

5．4．1 前排桩Z1的力学特性

5．4．2 钢靠船立柱的力学规律

5．4．3 钢横撑的力学规律

5．4．4 钢前撑的力学规律

5．5 本章小结

第六章 主要结论与展望

6．1 主要结论

6．2 展望与建议

6．3 结束语

致谢

参考文献

附录A 各构件配筋计算表

附录B 数据整理和提取源程序

附录C 测试工况作用下测点的应力应变值

在校期间发表的论著及取得的科研成果