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倾斜荷载下基桩的受力研究

赵明华  
【摘要】: 随着大跨径桥梁和高层建筑的高速发展,倾斜或轴、横向荷载同时作用下基桩的受力分析日益重要。国外对该问题的研究,目前尚限于倾斜极限荷载的确定及对张氏法的探讨,试验上多为室内模型试验,国内虽已作了部分工作,但也只是初步的,且尚未见试验报导。本文在对国内外倾斜荷载桩的受力分析和应用研究现状进行综合分析的基础上,通过大量理论和模型试验分析,针对我国工程应用开展研究,获得如下重要成果: 1.通过建立倾斜或轴、横向荷载同时作用下基桩挠曲微分方程,以我国现行各规范指定的m法为基本原则,采用幂级数求解,研究推导出一整套适合于我国工程应用的倾斜荷载受力桩(或轴、横向荷载同时作用)的设计理论和计算方法,在该理论中提出了考虑桩顶轴力和桩身自重的无量纲化参数λ和κ,以及求解桩身最大弯矩值的四个无量纲系数A_5、B_5、C_5、D_5,引入了结构力学P—Δ效应和等效换算原理,成功地解决了桩柱式桥墩在汽车制动力、风力、桥梁自重、车辆自重以及桩身自重、桩侧摩阻力等各类复杂荷载综合作用下的桩身内力及位移分析。并编制出相应的设计计算程序。 2.在倾斜荷载受力桩的内力及位移分析中引入了有限元—有限层理论,用半解析半数值有限层方法建立了桩土共同作用的刚度矩阵,对现有有限元—有限层方法进行了改进,提出了地基加权刚度概念,以弹性理论导得了桩单元在单位水平荷载作用下桩侧土体位移沿径向分布的解析解,从而能简便地在方法中考虑地基土体的非线性特性,使计算结果更符合工程实际。此外,还采用增量分析法,并引入地基加权刚度概念,初步考虑了P—Δ效应,采用Visual Basic 6.0编制出倾斜荷载或轴、横向荷载同时作用下基桩内力及位移分析的有限元—有限层程序,并对典型模型试桩进行了数值计算分析,总结出倾斜荷载作用下基桩桩身内力及位移随地基土刚度、桩顶自由长度、倾斜荷载倾角、以及倾斜荷载量级变化的特性,为工程应用提供了定性的指导。 3.针对工程实践中地基土多为层状构造的特点,本文给出了倾斜荷载作用下,双层地基m法的幂级数半解析解:为便于工程应用,提出了一种较为合理的当量m值换算方法,在大量数值计算分析的基础上,提出了双层地基倾斜荷载桩桩身最大弯矩值的修正方法和相应的半经验计算公式,使双层地基m法的计算既简便又具有较高的理论计算精度。此外,还采用本文改进的有限元—有限层方法对倾斜荷载作用下,双层地基上下两层地基刚度比变化及两层厚比变化对基桩内力及位移的影响进行了探讨,并归纳出相应的变化规律。 4.本文设计和完成了均质地基中倾斜荷载作用、双层地基中倾斜荷载作用,以及均质地基中轴、横向荷载同时作用的三批、共11根,44组室内模型桩试验,分别测得了各模型桩的桩身挠曲变形及内力情况。并通过对大量试验数据和数值计算结果的分析,提出了可用于指导工程实践的倾斜或轴、横向荷载同时作用下基桩的受力特性。 5.通过对大量室内模型桩试验数据及国外已有模型桩试验结果的综合分析,提出了 适应干我国工程实践的基桩倾斜极限荷载计算经验公式。 6.本文结合科研和工程项目,对长沙市某立交桥进行了现场试验,实测结果与计算 吻合较好;并将本文理论和方法用于长沙市某高架桥的工程事故处理,取得了良好的经 济效益:最后,利用本文方法对某黄河大桥的桩柱式桥墩基础进行了比较分析计算,所 得结论对工程设计具有较好的参考价值。 7.大量室内模型试验、现场试验,以及工程应用情况均表明,本文提出的倾斜荷载 或轴、横向荷载同时作用下基桩内力及位移分析的幂级数解和改进的有限元一有限层方 法方法正确,计算结果可靠,均可用子工程实践。


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