基于统计损伤理论的基桩屈曲稳定性分析方法研究

摘要

随着我国基础设施建设进一步向山区、深海延伸与发展，高承台桩基在公、铁路桥梁工程中得到了广泛的应用。在高山和深海地区，受地形地貌、地质状况、荷载水平及施工状况等条件的制约，相关基桩的屈曲稳定性问题尚缺乏深入系统的研究，这些问题将极大地影响桥梁工程的经济性、耐久性及安全性。因此，为了更好地研究桩基工程在山区的应用，需要更为细致地从承载机理、破坏模式等方面去探讨基桩的屈曲稳定机理。　　试验表明，对于高承台桩基础，其基桩自由长度较大时，尤其在软弱或易液化土层中容易发生屈曲破坏。而在长期荷载作用下的桩身材料强度是一个动态过程，我们可以称为“损伤”，其特性主要表现在桩身的初始缺陷和荷载作用下的强度退化，目前传统的基于能量法的基桩屈曲稳定性分析方法对此尚未有充足的考虑，难以满足日益增长的山区桥梁建设要求。本文将从基桩屈曲失稳理论及统计损伤理论出发，考虑基桩在荷载作用下的桩身混凝土材料损伤，尝试建立一套考虑桩身损伤的基桩屈曲稳定性分析方法，主要完成以下工作：　　(1)对桩基础的承载机理及破坏模式进行综合分析，总结目前国内外对于基桩屈曲失稳的相关研究进展，对目前常用基桩屈曲失稳分析方法展开讨论。　　(2)对混凝土损伤机理进行简要讨论，并基于损伤演化方法中的统计损伤理论对混凝土损伤因子进行一定优化，提出适用于基桩的损伤因子。　　(3)综合基桩的承载机理及荷载过程中的桩身损伤，考虑到基桩屈曲过程的非线性特点，引入尖点突变理论，选取合适的桩身挠曲函数，建立桥梁基桩结构体系的尖点突变模型，求解得到结构体系的失稳条件，进而确定考虑桩身损伤的基桩屈曲失稳临界荷载计算方法。在此基础上，讨论了损伤因子系数、桩顶约束条件、土体性质、桩身尺寸等因素对基桩屈曲失稳临界荷载的影响，发现该方法在埋置比低于0.6时适用性较好。　　(4)为进一步探讨考虑桩身损伤的桥梁基桩结构体系的承载机理与受力特性，利用有限元软件ABAQUS中的混凝土损伤塑性模型，建立桥梁基桩结构体系的三维有限元模型，与理论解进行对比验证，并分析了不同边界条件、材料力学性能下基桩结构体系的受力特性。　　(5)结合省内某公路桥梁工程实例讨论本文理论方法在实际工程中的适用性。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 引言

1.1.1 桩基础的历史及其发展过程

1.1.2 桩基础的分类

1.2 桩基础的承载机理及破坏模式

1.2.1 单桩的荷载传递机理

1.2.2 单桩的破坏模式

1.3 课题研究背景与意义

1.4 桩基础屈曲失稳的研究进展综述

1.5 本文主要研究内容

第 2 章 基桩屈曲失稳理论研究

2.1 引言

2.2 基桩屈曲失稳的判定

2.2.1 基桩屈曲失稳的影响因素

2.2.2 基桩屈曲失稳的判定准则

2.3 基桩屈曲失稳的常用分析方法

2.3.1 静力平衡法

2.3.2 能量法

2.3.3 幂级数法

2.3.4 有限元法

2.3.5 其他常用方法

2.4 小结

第 3 章 考虑桩身材料损伤的基桩屈曲稳定性理论分析方法

3.1 引言

3.2 混凝土损伤理论

3.2.1 混凝土损伤机理

3.2.2 混凝土材料的损伤因子

3.2.3 统计损伤理论

3.3 突变理论

3.3.1 突变理论的数学基础

3.3.2 初等突变的类型

3.3.3 尖点突变模型

3.4 考虑材料损伤的基桩屈曲突变理论分析

3.4.1 势函数的建立

3.4.2 损伤因子的引入

3.4.3 分岔点集的建立

3.4.4 临界荷载的计算

3.4.5 考虑桩侧摩阻力的基桩屈曲分析

3.5 基桩屈曲失稳的参数分析

3.5.1 损伤因子系数对屈曲荷载的影响

3.5.2 桩顶约束对屈曲荷载的影响

3.5.3 土体性质对屈曲荷载的影响

3.5.4 桩身尺寸对屈曲荷载的影响

3.6 小结

第 4 章 考虑桩身材料损伤的基桩屈曲数值模型分析

4.1 引言

4.2.1 ABAQUS 概述

4.2.2 ABAQUS 有限元分析过程

4.3.1 单元类型选择

4.3.2 材料的选取

4.3.3 模型的建立

4.4 有限元数值模拟结果

4.5 数值模型影响因素分析

4.5.1 桩顶约束条件的影响

4.5.2 地基土的影响

4.5.3 桩身混凝土材料的影响

4.6 小结

第 5 章 工程实例分析

5.1 引言

5.2 工程概况

5.3 工程分析

5.4 小结

结论与展望

参考文献

致谢