高桩码头整浇装配式叉桩节点有限元分析及设计方法研究

论文摘要

港口码头在国民经济和社会发展中占有十分重要的地位。港口中断造成的经济损失和社会影响十分巨大,港口码头修复和重建的代价也非常高昂。大量震害表明,土体液化、码头结构性能和节点抗震性能不恰当是造成高桩码头（pile-wharf structures）破坏的主要原因。然而,到目前为止,很少有人研究这个问题。因此,开展港口码头的抗震研究工作,对于提高港口码头的抗震能力,减轻港口码头的地震灾害是十分必要的。针对中、美两国高桩码头存在的共性问题,提出一种整浇装配式钢管叉桩节点。拟通过理论分析,探讨这种叉桩节点的抗震性能和破坏机理,提出这种叉桩节点的抗震设计方法和抗震构造措施,以寻求改善高桩码头抗震性能的新途径,为这种节点的试验研究提供参考依据。本文运用有限元Ansys软件,对叉桩节点进行弹性和非线性有限元分析,深入探讨叉桩节点的受力特点和抗震性能。本文的研究工作如下:（1）对高桩进行整体分析,在不同地震波峰值加速度和抗震设防烈度下,计算码头的最大侧移;（2）根据码头整体分析的最大侧移值、相关规范和叉桩内力分析,设计满足要求的叉桩节点;（3）通过对叉桩节点进行弹性有限元分析,分析节点相关截面的应力、应变分布情况;（4）通过对叉桩节点进行非线性有限元分析,分别进行单调和低周反复加载分析,讨论试验参数对节点抗震性能的影响。本文通过研究可得到以下结论:（1）地震峰值加速度为200gal时,码头的最大侧移85.6mm;在抗震设防烈度为9度时,码头的最大侧移为74.45mm,叉桩承担的最大水平力为499.25kN;（2）在弹性状态下,力与位移成线性关系,叉桩节点的应力分布呈偏心拉压状态。按线弹性本构关系分析的钢筋混凝土应力进行设计,承载力安全度较高,偏于保守,适用与初步分析和设计;（3）在非线性状态下,桩帽配箍率、混凝土强度等级以及配置桩芯钢筋对叉桩节点的延性和耗能能力有较大影响,桩帽轴压比对叉桩节点的承载力、刚度、延性和耗能能力均有较大的影响,考虑钢筋与混凝土之间的粘结滑移对节点的延性、耗能能力有影响,但对承载力、刚度影响不大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.2 国外研究现状
• 1.3 国内研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 高桩码头整体分析
• 2.1 工程概况
• 2.2 单质点时程分析
• 2.2.1 计算模型
• 2.2.2 地震波
• 2.2.3 纽马克法
• 2.2.4 杜哈梅积分
• 2.3 有限元反应谱分析
• 2.3.1 地震影响系数
• 2.3.2 桩土相互作用
• 2.3.3 有限元模型
• 2.3.4 反应谱
• 2.3.5 结果分析
• 2.4 时程分析与反应谱分析对比
• 2.5 本章小结
• 第3章 整浇装配式叉桩节点试验方案设计
• 3.1 叉桩节点设计思想
• 3.2 叉桩节点设计
• 3.2.1 设计原则
• 3.2.2 承载力计算
• 3.2.3 节点变形
• 3.3 试验方案
• 3.3.1 试验参数
• 3.3.2 试验方法
• 3.3.3 试验装置
• 3.4 叉桩施工工艺
• 3.4.1 工艺优势
• 3.4.2 工艺过程
• 3.5 本章小结
• 第4章 叉桩节点弹性有限元分析
• 4.1 弹性有限元模型
• 4.1.1 单元选择
• 4.1.2 实常数设置
• 4.1.3 材料特性
• 4.1.4 建立模型
• 4.2 求解控制
• 4.2.1 边界条件
• 4.2.2 加载及求解
• 4.3 结果分析
• 4.3.1 力与位移关系
• 4.3.2 桩帽表面应力
• 4.3.3 桩帽表面应变
• 4.3.4 钢管桩应力
• 4.3.5 桩帽内力
• 4.4 力学求解器模型与弹性有限元模型分析对比
• 4.4 本章小结
• 第5章 叉桩节点非线性有限元分析
• 5.1 非线性有限元模型
• 5.1.1 单元选择
• 5.1.2 材料特性
• 5.1.3 实常数设置
• 5.1.4 求解控制
• 5.2 单调加载分析
• 5.2.1 加载及求解控制
• 5.2.2 力与位移关系
• 5.2.3 叉桩变形
• 5.2.4 延性系数
• 5.2.5 破坏形态
• 5.2.6 开裂荷载、屈服荷载及最大荷载
• 5.2.7 钢筋应力
• 5.3 弹性和非线性有限元分析对比
• 5.4 低周反复加载分析
• 5.4.1 抗震性能
• 5.4.2 破坏形态
• 5.4.3 滞回曲线
• 5.4.4 骨架曲线及刚度退化
• 5.4.5 延性系数及耗能能力
• 5.4.6 钢筋应力
• 5.5 单调加载分析与低周加载分析对比
• 5.6 本章小结
• 第6章 试验参数对叉桩节点抗震性能影响分析
• 6.1 桩帽配箍率
• 6.1.1 滞回曲线
• 6.1.2 骨架曲线及刚度退化
• 6.1.3 延性系数及耗能能力
• 6.2 桩帽混凝土强度等级
• 6.2.1 滞回曲线
• 6.2.2 骨架曲线及刚度退化
• 6.2.3 延性系数及耗能能力
• 6.3 桩帽轴压比
• 6.3.1 滞回曲线
• 6.3.2 骨架曲线及刚度退化
• 6.3.3 延性系数及耗能能力
• 6.4 桩芯配筋率
• 6.4.1 滞回曲线
• 6.4.2 骨架曲线及刚度退化
• 6.4.3 延性系数及耗能能力
• 6.5 粘结滑移
• 6.5.1 滞回曲线
• 6.5.2 骨架曲线及刚度退化
• 6.5.3 延性系数及耗能能力
• 6.6 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 本文结论
• 7.2 有待于进一步的问题
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间公开发表的论文
• 攻读硕士学位期间参与的研究课题
• 致谢