波流作用下钢管桩的动力响应研究

摘要

近五十年以来，钢管桩渐渐成为基础工程中的重要桩型。钢管桩广泛的应用于深水码头、施工栈桥和海洋平台。钢管桩竖向和水平向承载力都比较大，常常作为高、大、重结构以及受水平力作用的结构的基础桩。随着海洋开发、海上采油工程事业的蓬勃发展，对钢管桩动力响应特性的研究越来越得到人们的重视。
　　在港口工程和海洋工程中，钢管桩施工就位后就会受到波浪和水流荷载的作用，钢管桩在波流荷载下的动力响应对结构安全有重要影响;尤其是在上部结构没有完成时，桩只能靠自身结构承受这些荷载。在施工状态下，钢管桩处于单桩形态，此时更偏于危险，因而分析此状态下受波流荷载作用的钢管桩的变形和应力，就显得更为重要。
　　本文首先基于有限元法，建立了计算结构动力响应的数值模型，采用八结点六面体划分网格，结合改进平方根算法，通过求解以结点位移为未知量的结点平衡方程，得到结构的结点位移和应力。并且采用Newmark方法对结构进行动力响应分析，得到在外荷载作用下结构的变形和应力在时域内的时程变化。然后，采用改进的JONSWAP谱模拟了不规则波浪谱，通过与靶谱吻合度的对比分析，得到了最佳模拟效果的模拟参数。进而根据Airy波理论求得了任意时刻水质点的速度和加速度，从而通过莫里森公式计算了随时间变化的波流荷载。最后采用此数值模型，对处于施工状态的栈桥钢管桩，进行了波流荷载作用下的动力响应分析，得到了钢管桩变形和内力的时程变化，而且钢管桩受到周期性冲击。因而对时程变化曲线作了FFT变换，通过频谱分析，得到了该周期性冲击主要是由波浪荷载引起的共振所导致的。