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高桩基础防撞试验及防撞设计新方法研究

郭杰锋  
【摘要】: 随着全球经济的快速发展,越来越多的水上结构,如桥墩、钻井平台、水上输电塔等陆续出现在世界各地,这些水上结构受船舶撞击事故的次数也越来越多。因而水上结构防撞已成为其设计中的关键性问题,同时这一问题也成为具有广泛意义的研究课题,日益引起各国政府、学者以及工程界的极大关注。 以高桩作为基础的防撞结构,如高桩防撞墩及柔性护墩桩式防撞系统等是目前水上结构最为常见的防撞装置之一。目前水上结构防撞设计广泛沿用刚性桥墩的防撞设计方法,对于撞击过程中将发生水平大变形的高桩基础式防撞结构不再适用。因而有必要针对高桩基础式防撞系统开展深入的理论尤其是撞击试验研究,并在此基础上探索新的工程设计方法。 本文针对高桩基础式防撞结构,考虑我国近海和通航江河中常见的粉土和软粘土地基,通过水平静载试验和撞击试验揭示高桩基础及其防撞结构的防撞机理及撞击荷载作用下的桩土动力相互作用规律,在此基础上研发适用于工程的高桩基础防撞简化设计方法。主要工作和创新成果包括: (1)研发了室内高桩基础撞击的大比例模型试验装置,开展了高桩基础的水平静力大变形模型试验及不同撞击能量下的撞击模型试验,较为系统地揭示了高桩基础的防撞机理及撞击过程中的复杂桩土动力相互作用规律,发现了撞击过程中动态桩周土压力随桩身水平运动速度的变化特性以及动力p-y曲线法无法反映这一特性的缺陷。 (2)开展了软粘土地基上现场大直径防撞桩的水平加载试验,系统获得了水平加载过程中桩身变位、桩身弯矩及桩周土反力的规律及其相互关系,发现加载速率对桩基水平变形影响明显,使得规范静力p-y曲线法对于快速加载问题的计算结果较为保守,同时获得了桩周土压力随水平循环荷载变化的弱化规律。 (3)开展了单排及双排柔性护墩桩式防撞系统的静载和撞击模型试验,系统地比较了静载和撞击条件下单桩基础、单排桩防撞系统和双排桩防撞系统的吸能特性,揭示了柔性护墩桩式防撞系统在水平静力和撞击荷载作用下复杂的空间受力和变形特性,获得了简化设计方法安全系数随撞击能量变化的规律。 (4)通过引入合理的船舶与防撞墩相互作用模型及桩基动力p-y曲线法,建立了船舶撞击高桩防撞墩的动力学分析模型;通过系统分析船头强度、混凝土防撞墩质量、桩周土抗剪强度等参数对撞击过程的影响,发现船首强度仅影响撞击力时程曲线,对桩顶最大水平位移和桩身最大弯矩的影响却不大,而高桩基础的内力和变形基本只与船舶的初始动能和桩径有关;在此基础上提出了工程上适用的高桩防撞墩基于能量控制的防撞设计新方法。


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