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波浪和涌潮荷载作用下排桩的动力响应

赵晖  
【摘要】: 排桩在波浪荷载下的动力响应以及排桩丁坝在涌潮作用下的受力特性一直是工程界关注的问题,它们都属于“流体-群桩-土体”的耦合振动问题。本文对波浪和涌潮荷载作用下排桩和排桩丁坝的动力响应问题进行了比较系统的研究。 基于Biot固结理论,采用均匀多孔弹性介质土模型,推导了波浪作用下海床的动力响应,获得了海床模量在波浪作用下的竖向分布情况,为“流体-群桩-土体”的耦合振动问题提供了计算依据。 对于大尺度桩的波浪受力问题,建立了“势流-弹性桩-土”解析模型,既考虑桩和流体耦合振动,又考虑埋置土层对动力响应的影响,通过桩的水平振动速度等于耦合面上的流体速度建立方程。对土模量,淘空深度,桩身刚度等参数对桩顶位移和桩身弯矩的影响进行了分析和研究。 对于小尺度弹性桩的波浪受力问题,采用修正Morison公式计算波浪力,分别建立桩土单元振动模型和桩水单元振动模型,把桩土单元刚度矩阵和桩水单元刚度矩阵组合后,形成总体刚度矩阵。将Morison力等效为单元节点荷载,求得小尺度弹性桩土系统在波浪力下的动力响应数值解,相对于6倍桩径法和忽略桩水耦合的计算结果,更准确合理。 对于波浪荷载作用下埋置群桩的动力问题,以小尺度弹性桩在波浪力下的动力响应数值解为基础,采用规范法分析桩水相互作用的群桩效应,采用Winkler地基梁模型分析桩土相互作用的群桩效应。计算结果表明,埋置弹性群桩的受力比较复杂,其动力响应和波浪力的入射角度、桩间距、群桩排列方式都有关系。本方法综合考虑了桩水耦合振动、桩水相互作用的群桩效应、桩土相互作用的群桩效应和埋置土层等因素,真实的模拟了埋置群桩在波浪荷载下的受力状态。 钱塘江排桩丁坝在涌潮下的动力响应问题属于“桩-土-流体”耦合振动问题的一种特殊情况。通过现场测试获得了钱塘江涌潮压力的时程曲线及其涌潮压力在竖向空间的分布,基于波浪荷载作用下埋置群桩的动力问题求解方法,将实测涌潮压力傅立叶级数展开之后,作为横向荷载输入,求得钱塘江丁坝的动力响应,并和实测数据相对比。探讨了涌潮高度,丁坝桩径,桩距,海床土参数对排桩丁坝动力响应的影响。通过研究排桩丁坝的位移和内力响应随涌潮的变化情况,得到了不同涌潮高度下丁坝响应的规律。建议了排桩丁坝的结构优化计算方法,以指导排桩丁坝的结构设计。


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