复合加载下海上大直径钢管桩屈曲承载力数值研究

摘要

大直径钢管桩通常用作海上风机及海洋平台基础，与陆上桩基础相比，其厚径比较小，且水中及水面以上桩身自由段较长，加之海洋地质条件及海洋环境荷载复杂，受荷后可能发生桩身的整体屈曲或局部屈曲，导致海洋结构物的寿命减少或损毁。因此，开展复杂荷载作用下的海上大直径钢管桩屈曲承载力的研究，对改进海上大直径钢管桩基础的工程设计，提高海洋工程结构物的安全性具有重要意义。
　　本文介绍了桩的一般屈曲分析理论，建立了基于Winkler弹性地基梁模型的二维梁（桩）/土弹簧有限元数值模型，采用特征值屈曲分析法和Riks非线性屈曲分析法，探讨了海上钢管桩的桩顶约束条件、复杂环境荷载、桩身材料变形特性、地基反力分布形式及桩身自由段和入土段长度变化对其屈曲承载力的影响。进而采用三维桩/土有限元模型，研究了钢管桩及桩周土的弹塑性特性和桩土接触作用对桩屈曲稳定的影响。最后基于三维薄壁圆柱壳有限元模型，研究了海上钢管桩作为薄壁圆柱壳结构的整体屈曲和局部屈曲两种模态。
　　（1）介绍了结构屈曲的基本概念，讨论了不同荷载下的桩的工作性状，详述了桩的屈曲分析方法以及影响桩身稳定的相关因素；最后介绍了ABAQUS有限元中两种屈曲分析方法，为海上大直径钢管桩的屈曲承载力数值分析奠定了理论基础。
　　（2）基于二维Winkler弹性地基梁概念，建立了二维梁（桩）-土弹簧有限元数值模型，利用 ABAQUS提供的子程序接口进行二次开发，实现了桩侧地基反力的不同分布，研究了海洋地基反力复杂分布及桩身入土比对海上大直径钢管桩特征值屈曲承载力的影响。
　　（3）发展了复杂约束条件下轴心受压杆屈曲承载力的理论解，以此作为海上大直径钢管桩的等代结构，通过系统的数值模拟，提出了复杂约束条件下钢管桩特征值屈曲承载力计算方法；探讨了在不同的桩顶约束条件下，桩身弹性和弹塑性变形特性对海上大直径钢管桩屈曲承载力的影响。
　　（4）采用三维桩/土有限元模型分析了海上大直径钢管桩的屈曲特性，研究了桩及桩周土的弹塑性变形特性和桩土接触作用对桩屈曲稳定的影响，并验证了二维数值计算结果的可靠性。
　　（5）以三维薄壁圆柱壳模型的屈曲荷载数值解与两种薄壁圆柱壳屈曲理论的解析解对比为基础，通过特征值屈曲分析和Riks非线性屈曲分析，研究了海上大直径钢管桩在弹性土层中的两种屈曲模态，探讨了壁厚、桩径、桩长和桩身变形材料特性对屈曲模态的影响。

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第1章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容和创新点

第2章 钢管桩的屈曲与屈曲分析

2.1 引言

2.2 结构屈曲的基本概念

2.3 海上大直径钢管桩在复杂荷载作用下的工作性状

2.4 结构屈曲分析方法及钢管桩屈曲影响因素

2.5 ABAQUS屈曲分析模块

2.6 本章小结

第3章 基于二维梁-土弹簧模型的钢管桩屈曲承载力有限元分析

3.1 引言

3.2 Winkler弹性地基梁模型在桩整体屈曲分析中的应用

3.3海洋土地基反力系数分布

3.4钢管整体屈曲分析的梁/土弹簧有限元模型

3.5 地基反力系数分布对钢管桩屈曲承载力的影响

3.6 本章小结

第4章 桩顶约束条件和桩身材料特性对钢管桩屈曲承载力的影响

4.1 引言

4.2 复杂约束条件下轴心受压杆屈曲承载力的解析解与数值解

4.3 ω=0时桩顶不同约束下钢管桩的屈曲承载力

4.4 ω≠0时桩顶不同约束下钢管桩的屈曲承载力

4.5 桩身材料变形特性对屈曲承载力的影响

4.6本章小结

第5章 基于三维桩/土数值模型的屈曲承载力研究

5.1 引言

5.2 三维桩/土模型及桩屈曲分析

5.3 桩土接触对钢管桩屈曲承载力的影响

5.4 土体弹塑性变形对钢管桩屈曲承载力的影响

5.5 本章小结

第6章 基于薄壳结构的钢管桩屈曲模态分析

6.1 引言

6.2 三维薄壳结构的两种屈曲模态

6.3桩/土系统的局部屈曲与整体屈曲

6.4 本章小结

第7章 结论与展望

7.1主要工作及结论

7.2进一步研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢