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高桥墩桩基稳定性分析及其优化设计研究

汪优  
【摘要】: 随着我国西部开发,边远山区及西部公路交通等基础设施建设的发展,不可避免地要采用大量的跨大江、大河和深沟陡谷的高架桥。因此,如何在全面掌握高桥墩桩基础承载机理、变形与稳定特性的基础上,对其进行合理设计,目前已成为山区高架桥基础工程所面临的重要技术难题。为此,本文结合国家自然科学基金项目“基于无网格法的高承台桩基屈曲机理研究”(50378036)和湖南省交通科技项目“山区超高桥墩桩基础承载机理及优化设计研究”(200513)课题,从高桥墩桩基屈曲承载机理出发,通过理论分析、数值模拟及室内模型试验对该问题进行较深入系统的研究。 本文首先深入分析了高桥墩桩基的屈曲机理,首次将桥墩、桩基做为一个整体结构进行受力分析,建立了可考虑墩桩不同刚度及桩侧土体影响的高桥墩桩基屈曲分析的简化计算模型,利用能量法导得施工和成桥阶段不同边界条件下高桥墩桩基屈曲临界荷载和稳定计算长度的解析解;同时,基于能量法解答对桩侧土体、无量纲入土深度及墩桩刚度比等因素对高桥墩桩基屈曲稳定的影响规律进行了分析,由此得出:桩侧土体和基桩的入土深度是影响高桥墩桩基屈曲性能的重要因素,单纯提高结构刚度不能显著改善其稳定性,结构的屈曲破坏也不是一个简单的材料破坏问题;此外,桩侧土体对高桥墩桩基屈曲稳定的影响存在一个有效深度范围。 为进一步探讨高桥墩桩基的屈曲特性,从固体力学的角度探讨结构大变形问题的实质,引入了适宜于考虑结构体系大变形特性的无网格法,并给出了无网格法大变形问题的力学推导;在此基础上采用完全的拉格朗日法,在初始构形上建立无网格法的近似函数,得到了大变形情况下的平衡方程。还根据本文的实际情况选择了较为优越的弧长控制法求解非线性方程组。并引入均匀试验设计的概念,将其应用于求解域的节点布置,可使节点在计算点的定义域内能够均匀分布,从而保证矩阵不致产生奇异性,并较大地减少了计算工作量。 其次,设计并完成了多组高桥墩桩基的屈曲室内模型试验,通过改变墩桩长度比、边界条件和材料刚度等参数组合,对高桥墩桩基屈曲破坏机理有了较深入的认识;并结合本文无网格数值分析方法得到的结果进行了对比分析,验证了程序的可靠性,同时进一步分析了高桥墩桩基的屈曲影响因素及相关规律。 最后,针对高桥墩桩基础的特点,在基本优化模型的基础上,根据不同的目标函数建立了相应的优化模型,给出优化设计算法流程图,编制了相应的优化计算程序;并根据高桥墩桩基的工程实际设计了一个数值算例,采用本文编制的优化计算程序对该结构进行优化,得到了优化后的最优解;同时,采用高桥墩桩基屈曲系数作为目标函数的优化模型进行因素分析,初步探讨了参数变量对目标函数最优值的影响规律和程度。


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