大直径薄壁圆筒结构振动下沉过程瞬态动力有限元分析

摘要

插入式大圆筒结构具有形式简单、受力合理、施工便捷、造价低等优点，非常适合我国现阶段港口工程深水化大型化发展的需要。天津大学联合其它科研单位多年来对此结构形式在波浪、潮流及泥砂冲淤等荷载影响下的承载与破坏机理进行了大量研究，形成了较为成熟的分析方法，并成功地进行了推广实施。然而，对振动下沉施工过程中轴向激振力作用下筒体与土体间的相互作用机理、筒身应力应变及大圆筒可打入性等问题一直缺乏全面深入的研究，这制约了大圆筒结构的进一步推广应用。 本文应用弹性应力波理论、土动力学理论和非线性数值分析方法，结合长江口深水航道治理二期大直径薄壁圆筒结构试验段工程数据，对简体振动下沉过程进行了研究，建立了非线性弹簧元数值模型。并进一步探讨了用块体元模拟大圆筒结构振动下沉连续过程的可行性。主要研究工作如下： 1.分析了大圆筒振动下沉过程中土与结构的相互作用机理，揭示了大圆筒振动下沉和筒身应力的典型影响因素。 2.结合振动下沉现场实验，应用应力波理论，建立了振动荷载作用下的大圆筒结构的非线性粘弹塑性弹簧元的瞬态动力学数值模型，进行大圆筒振动下沉全过程计算分析。 3.结合实际工程对大圆筒结构的可打入性和混凝土筒体控制应力进行分析，以确定筒体在振动下沉过程中的应力应变状态，为筒体结构设计提供依据。 4.进行了大圆筒下沉施工过程激振力参数的优化，确定使筒身结构应力最优的下沉施工动力参数。 5.探讨了应用实体元模拟土体进行大圆筒振动下沉过程有限元分析的方法。利用ALE方法模拟土体大变形，并利用LS-DYNA对称罚函数法和接触面搜索算法，提出了较为可行的利用实体元模拟土体的大圆筒下沉非线性有限元耦合分析方法，并建立了计算模型。

目录

文摘

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声明

第一章 绪论

1.1概述

1.2研究现状与问题提出

1.3课题的主要研究工作和研究意义

第二章 大圆筒振动下沉弹簧元模型

2.1基本理论

2.2振动荷载作用下大圆筒结构非线性弹簧元数值模型

2.3忽略应力波累积效应方法的可行性

第三章 大圆筒振动下沉过程分析

3.1长江口深水航道治理大圆筒试验段案例分析

3.2影响大圆筒振动下沉过程中筒身应力的典型因素

3.3可打入性与筒身主拉应力控制

第四章 工程算例

4.1工程概况

4.2筒高16米时,振动参数选取及结果分析

4.3筒高19米,入土深度15米时振动参数选取及结果分析

4.4 19米高圆筒振动下沉过程筒身应力分析

第五章 实体元模拟大圆筒振动下沉连续过程的方法

5.1概述

S.2处理几何大变形--ALE方法

5.3土体材料非线性和侧压力的实现

5.4接触算法和接触搜索

5.5有限元计算模型

5.6计算结果

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2课题展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢