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水平荷载作用下桥墩及桩基的静力与动力响应分析

常林越  
【摘要】: 国民经济的快速增长给桥梁建设和水路交通带来了巨大需求,同时也引发撞桥事故概率的增高,严重危及到桥梁的安全运营。鉴于此,本文对水平荷载作用下桥墩及桩基的静力和冲击动力响应开展了解析和数值计算研究,主要工作和创新成果如下: 1.对黏性土和砂性土地基水平极限抗力的计算方法进行了归纳总结和计算对比。基于地基反力法和简化的土体弹塑性本构关系,进一步完善了均质地基中水平受荷桩桩顶嵌固(桩顶约束转动)情形的解析解。 2.基于地基反力法和简化的土体弹塑性本构关系,分别对“(?)Gibson模式”和“广义Gibson模式”地基中水平受荷长桩进行了解析计算研究,给出了不同工况下桩身最大挠度、最大转角、最大弯矩的无量纲解析表达式。计算表明联合荷载(水平力和弯矩)作用下桩身最大挠度、最大转角和最大弯矩与荷载的关系具有非线性、非对称性,故采用常规线性叠加法进行联合荷载作用下的计算将偏于不安全。在常见荷载范围内,对复杂的解析结果进行了简化拟合,提出的拟合公式计算简便精度高,有利于工程的应用。通过与实测数据及p-y曲线法计算结果的比较表明,本文方法可较有效地开展非均质弹塑性地基中水平受荷长桩的计算分析。 3.基于地基反力法和简化的土体弹塑性本构关系,结合提出的双层地基极限抗力计算表达式,对双层非均质弹塑性地基中桩顶自由和嵌固两种常见情形下的水平受荷长桩进行了解析推导,得到了相应的闭合计算式。并利用所得解分析了双层地基土性参数对桩基性状的影响。算例分析表明,本文解计算结果与单桩和群桩的三维有限元模拟结果及现场试验实测值吻合较好。 4.基于Euler粱-Winkler模型(E-W模型),给出了均质黏弹性地基中不同边界条件下桩受水平冲击荷载响应的完全解析解。针对E-W模型动力分析存在的不足,对Timoshenko梁-双参数模型(T-D模型)黏弹性地基中桩的动力响应进行了半解析求解,并对E-W模型和T-D模型桩的动力响应进行了计算比较。对相同的撞击能量下三种常见的简化冲击荷载形式(矩形脉冲荷载、半正弦脉冲荷载和三角形脉冲荷载)作用下桩的动力响应进行了计算对比。 5.基于T-D模型,对成层黏弹性地基中水平冲击荷载作用下单墩-桩基础和双墩-桩基础结构的动力响应进行了理论推导。通过单墩-桩基础动力计算模型,对承台、墩顶结构、荷载作用位置、河床冲刷深度、复杂的冲击荷载形式等进行了参数影响分析。最后利用本文理论模型对两座撞击试验桥墩进行了简化计算,计算结果和实测值较吻合。 6.对某大桥受撞桥墩-桩基础实测资料进行了分析,并对桥墩的受撞过程进行了推测反演。针对其中受损最严重的桥墩开展了拟静力三维有限元数值模拟分析,较全面地考察了桥墩-桩基础结构的受损和偏位情况,相关结果与实测数据较一致。本文计算结果可为桥墩进一步的检测、修复设计提供依据及为类似工程分析提供参考。


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