瞬态荷载下墩基—群桩动力非线性特性分析

摘要

桩基础因其承载力高、沉降小，已被广泛应用于高层建筑、大型厂房、核发电站、水利水电工程、铁路桥梁工程、港口码头、海上平台以及部分大型动力机器基础等基础工程中。由于桩-土体系动力相互作用问题的普遍性和复杂性，动力荷载作用和地震作用下桩土体系动力参数和特性一直是工程界和学术界研究的焦点。而在实际工程中机器震动荷载、交通工具行驶过程加速、减速引起的荷载、碰撞荷载等瞬态荷载作用下桩-土体系的动力响应是一个基本的问题。
　　本文通过采用解析分析方法，得到瞬态荷载作用下单桩的解析解，考虑群桩动力相互作用影响因子，在ANSYS程序中建立基于动力Winkler模型的墩-群桩-土结构体系简化模型，探究瞬态荷载作用下体系的动力时程响应。主要的研究工作如下:
　　(1)针对过往关于桩-土动力相互作用相关的分析理论和研究方法，进行研究现状的综述和研究方法的对比，选取有针对性的模型作为分析的主要对象;
　　(2)基于结构动力学和材料力学的方法，探讨了桩-土动力相互作用机理，利用解析分析方法，通过Laplace变换以及传递函数矩阵求解桩土动力平衡方程，得到瞬态荷载作用下桩身动力响应的解析解;
　　(3)在单桩解析解的基础上，通过分析瞬态动力荷载作用下桩-桩之间横向动力相互作用的影响，引入衰减函数，推导出群桩动力相互作用因子，在此基础上，运用叠加原理，求得考虑群桩动力相互作用的水平动力响应解;
　　(4)实际情况中，承台和墩体是存在的，虽然其对群桩体系的竖向效应起主要的影响作用，但是在瞬态荷载作用下，考虑承台和墩体的附加质量的影响将会得出更精确的结果，因此本文假设承台约束桩顶转角，结合桩顶的边界条件，以群桩中的单根桩为例，进行考虑承台和墩体附加质量对群桩体系动力响应影响的理论推导;
　　(5)过去对桩-土体系动力相互作用的模型的研究普遍是在解析解的基础上，不同的学者通过编制各有差异的算法程序，一般以前人的研究成果作为精确解来对比结果的准确性。这样不利于在工程实际上的统一应用和普及。因此，本文基于以上的解析解，在大型有限元分析软件ANSYS中建立简化后的墩-桩-土动力相互作用结构模型，得出其在瞬态荷载作用的动力响应特性，并对比结构体系在不同的荷载形式（三角荷载、阶跃荷载、余弦荷载）与不同的土体阻抗函数(Gazetes阻抗与刘东甲阻抗)下动力响应特性的差异;
　　(6)为与上述简化模型所得出的动力响应结果进行对比，通过在ANSYS中建立已考虑桩-土接触界面间滑移和脱离、远场土体辐射阻尼等桩土非线性问题的有限元实体模型进行分析，通过对比两种模型下的动力响应特性，验证ANSYS中墩-桩-土动力相互作用结构模型分析的可行性。并进一步分析土体边界条件、软弱土层分布、土层软硬程度等因素对瞬态荷载作用下墩基-群桩体系的动力响应特性的影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 桩-土相互作用的计算模型理论

1．2．1 质量串模型理论

1．2．2 连续介质解析理论

1．2．3 弹性介质中的梁模型理论

1．2．4 有限元模型理论

1．3 桩-土-墩动力相互作用的研究现状

1．4 本文研究的主要内容

第2章 单桩水平动力响应的理论

2．1 桩土之间动力阻抗参数的确定

2．2 基本假定与理论推导

2．2．1 基本假定

2．2．2 初始条件和边界条件

2．2．3 振动方程的求解

2．2．4 算例

2．3 本章小结

第3章 群桩-土-结构动力相互作用理论

3．1 群桩-土动力相互作用的研究综述

3．2 群桩动力相互作用因子

3．3 考虑群桩动力相互作用的理论推导

3．4 考虑承台与墩附加质量的影响

3．5 算例

3．6 本章小结

第4章 弹阻简化模型在ANSYS中的应用

4．1 ANSYS中弹簧阻尼器单元简述

4．2 墩-群桩-土的简化计算模型建立

4．2．1 模型的建立

4．2．2 参数选取

4．3 瞬态荷载作用下的动力响应结果

4．3．1 荷载形式对动力响应特性的影响

4．3．2 阻抗函数对动力响应特性的影响

4．4 本章小结

第5章 有限元分析理论与结果对比

5．1 桩与土体的材料的模拟

5．1．1 单参数准则模型

5．1．2 双参数准则模型

5．1．3 体系阻尼

5．2 桩-土界面接触分析与实现

5．2．1 节理单元分析

5．2．2 桩-土的接触单元分析

5．2．3 ANSYS中的接触实现与算法

5．3 无限边界的处理

5．4 瞬态荷载作用下有限元模型分析

5．4．1 模型的建立

5．4．2 土体边界对动力响应特性的影响

5．4．3 软弱土层对动力响应特性的影响

5．4．4 土体软硬对动力响应特性的影响

5．5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢