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原文传递高承台桩基的动力屈曲分析

论文题名：	高承台桩基的动力屈曲分析
关键词：	桥梁工程;高承台桩基;动力屈曲;瞬态冲击;有限元法
摘要：	桩基础因具有承载力高、沉降小以及能够适用于各种复杂地质的条件等优点被广泛应用于工业与民用建筑、机场车站、道路桥梁工程、海上平台、水利水电工程、港口码头等领域工程的基础，且多采用高承台桩基。由结构自重及上部荷载(静力荷载)和地震荷载、施工振动等动力荷载共同作用下，高承台桩基可能会发生失稳定破坏，这种破坏具有突然性并且后果比较严重，怎样对高承台桩基的动力屈曲进行分析，对于理论和工程实际都具有重要意义。　　为此，本文根据国内外己有的相关桩基屈曲稳定性及桩-土相互作用的研究成果，对几种关于桩-土相互作用的分析方法及分析模型进行了比较系统的讨论。在此基础上，引入具有波动特点的桩-土位移影响理论，经适当简化建立在动力作用下桩-土相互作用的运动微分方程，考虑本构和几何非线性，从而建立高承台桩基在竖向瞬态冲击荷载作用下的动力非线性方程式；对位移形函数进行假设，利用伽辽金方法进行积分获得关于时间的动力学控方程；对关于时间的非线性方程进行求解，进而得到其位移响应，运用B-R准则对高承台桩基进行稳定性判断。并提出了一种将有限元法应用于高承台桩基在动力作用下屈曲的简化方法。通过建立简化有限元法不同的高承台桩基动力屈曲分析模型，运用APDL语言编制了不同简化有限元模型程序，并通过计算得出简化有限元模型在瞬态动力荷载作用下的高承台桩基某节点位移图并利用B-R准则对高承台桩基进行稳定性判断，并与上述理论公式分析得到的结果进行对比，验证该简化有限元法的正确性及适用性，为桩基的动力屈曲分析提供一种新的理论方法途径。其主要的研究工作如下：　　（1）介绍了课题的来源、意义以及国内外开展桩基动力屈曲研究的现状，通过对大量相关文献的概述总结，论述了已有研究成果的局限性及优缺点。　　（2）介绍了高承台桩基动动力屈曲问题的基本理论及对几种关于桩-土相互作用的分析方法及分析模型进行了较为系统的讨论。根据高承台桩基的受力特征进行力学模型简化，建立了高承台桩基的非线性动力屈曲问题的基本方程式。利用龙格-库塔方法进行数值计算，给出了程序设计方案，介绍了伽辽金方法的基本理论。　　（3）为解决常见的有限元建立的桩-土体系动力相互作用的模型节点数量巨大，解题规模偏大以及计算效率偏低的缺点，本文通过上述推导出的简化计算公式利用了一种可用于桩-土体系动力分析的简化有限元法并运用ANSYS分析软件编制APDL语言程序，建立单桩的简化有限元模型，其中，桩身由梁单元进行模拟，土体由弹阻单元来模拟。　　（4）运用简化有限元模型对高承台桩基动力屈曲进行分析确定所建立的各简化有限元模型高承台桩基瞬态动力屈曲特性，获得各简化有限元模型的时间位移曲线和动力屈曲值，然后对建立的单桩简化有限元模型进行各种瞬态荷载下的动力响应分析，得到其对应的时间位移曲线并利用B-R准则对高承台桩基进行稳定性判断，并在此基础上，与基于伽辽金法积分法理论建立的简化高承台基桩的非线性动力屈曲问题的基本方程式进行分析得到的结果进行对比，验证该简化有限元法的正确性及适用性。　　（5）通过改变各简化有限元模型的承台高度、桩埋土深度、桩径及桩土刚度的大小来模拟桩-土系统的动力相互作用，求取高承台桩基动力屈曲与其上述因素的关系。并将计算得到的结果与相应简化法得到的结果进行对比，对简化有限元法能够解决高承台桩基动力屈曲问题的实现提供计算依据，并为简化有限元法解决实际工程问题奠定理论基础。　　（6）结合工程实例—马岭河大桥的桩基设计问题，运用简化有限元法建立其2＃高承台桩基在复杂的地质条件下的模型，考虑桩-土相互作用下，完成了动力屈曲分析，结果表明该简化有限元法应用于高承台桩基动力屈曲工程实际的分析是有相当的可行性及实用性。
作者：	陈国开
专业：	建筑与土木工程
导师：	熊辉;黄向阳
授予学位：	硕士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文