考虑桩土相互作用下高墩—桩基体系屈曲稳定性分析及研究

论文摘要

随着西部大开发战略的实施,近年来我国西部地区规划并建成了大量的铁路及公路工程。由于地形因素,跨越江河、深谷及沟壑的高墩桥梁往往成为这些线路中的控制性工程,并随着工程中高强度材料的应用,该群桩-高墩结构日益趋向高耸化、薄壁化,致使结构的刚度下降,其稳定性问题显得尤为突出,成为了高墩桥梁建设领域中具有重要理论与工程实际意义的课题。目前,由于高墩群桩结构受力情况复杂,其屈曲分析的研究还不够完善,现有的研究成果多以纯桥墩（假定墩底固支）或基桩的屈曲稳定性来评定高墩桩基体系的稳定与否,该法无法体现桩基础与桥墩上部结构的共同工作原理,难以全面反映工程的实际受力屈曲特性。基于此背景,本文在前人研究成果的基础上,结合我国西部山区高墩的结构特点,对高墩群桩的屈曲稳定理论及计算方法进行系统的研究,具体工作包括:（1）通过对国内外相关研究成果的综合分析,较深入地探讨了高墩桩基结构的承载机理,并对高墩及基桩屈曲稳定性研究的现状和发展水平进行了系统的回顾和总结。（2）针对群桩基础-单肢高墩结构,首先基于力法原理,将群桩基础等代为“柱+水平弹簧支撑（单个或多组）”结构以综合考虑桩土相互作用对高墩稳定行的影响,进而将高墩与群桩基础结构简化为“变截面柱+水平弹簧支撑”模型,分别导出了单肢墩-桩基体系屈曲临界荷载的幂级数解析解和能量法解析解,并结合算例证明该方法的实用性。（3）针对双肢高桥墩受力及荷载传递机理贴近框架结构,将群桩基础等代为“∏”框架,墩身间无系梁的高墩桩基体系简化为单跨双层框架结构,采用转角-位移法导出了其临界荷载计算解析解答计算公式,结合算例分析了该法的合理性。（4）采用有限元ADINA软件,结合算例,建立考虑桩-土-墩三者相互作用的三维有限元模型,对竖向荷载作用下的高墩-桩基体系的屈曲稳定性进行有限元数值计算分析。（5）通过改变桥墩的高度、刚度、双墩间的横系梁情况、墩身壁厚、桩径及场地条件等,比较相应计算结果,探讨这些因素的变化对高墩-桩基体系稳定性的影响规律,为结构的设计施工提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 山区高桥墩桩基体系
• 1.2.1 桩基础的简述
• 1.2.2 高桥墩的发展概述
• 1.3 山区高桥墩桩基结构的工程特点
• 1.4 高墩桩基体系稳定性研究现状
• 1.4.1 高桥墩屈曲研究
• 1.4.2 基桩的屈曲研究
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 高桥墩-桩基体系屈曲机理及其分析
• 2.1 引言
• 2.2 屈曲稳定性的概述
• 2.2.1 屈曲问题的分类
• 2.2.2 稳定判定准则
• 2.3 屈曲计算理论
• 2.3.1 静力平衡法
• 2.3.2 能量法
• 2.3.3 有限元法
• 2.4 高墩-桩基体系屈曲分析常规法
• 2.4.1 《铁路手册》法
• 2.4.2 《公路桥梁钻孔桩计算手册》法
• 2.4.3 《公路桥梁钻孔桩》法
• 2.4.4 戴维逊法
• 2.4.5 屈曲分析的幂级数解
• 2.4.6 高桥墩群桩结构屈曲的能量法解答
• 2.5 影响墩桩体系稳定性的主要因素
• 2.6 本章小结
• 第3章 单肢墩-群桩体系屈曲计算及分析
• 3.1 引言
• 3.2 群桩基础模型的简化计算
• 3.2.1 群桩基础的等代模型
• 3.2.2 静定结构的位移计算一般公式
• 3.2.3 等代模型参数的确定
• 3.3 单肢墩-群桩体系的屈曲幂级数解答
• 3.3.1 计算模型及假定
• 3.3.2 临界荷载公式的推导
• 3.3.3 工程实例分析
• 3.3.4 相关参数分析
• 3.4 变截面薄壁墩-桩体系屈曲分析的能量法解答
• 3.4.1 变截面桥墩墩身参数确定
• 3.4.2 墩-桩体系屈曲能量法解答
• 3.4.3 工程算例分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 双肢墩-群桩体系屈曲计算及分析
• 4.1 引言
• 4.2 群桩基础框架模型参数的确定
• 4.3 转角-位移法基本方程的推导
• 4.4 双肢墩-桩基体系的屈曲临界荷载解答
• 4.4.1 框架平面内屈曲临界荷载计算
• 4.4.2 框架平面外屈曲临界荷载计算
• 4.5 算例分析
• 4.5.1 模型参数的计算
• 4.5.2 屈曲临界荷载理论计算
• 4.6 本章小结
• 第5章 高墩-群桩体系有限元分析及其应用
• 5.1 引言
• 5.2 ADINA 软件概述
• 5.2.1 ADINA 软件简介
• 5.2.2 ADINA 分析步骤
• 5.3 墩-桩体系有限元模型的建立
• 5.3.1 土弹簧-桩基模型的建立
• 5.3.2 桥墩模型的建立
• 5.4 有限元屈曲分析
• 5.5 影响因素分析
• 5.5.1 墩身自身属性的影响
• 5.5.2 墩间横系梁的影响
• 5.5.3 地基土的影响
• 5.5.4 桩径的影响
• 5.6 本章小结
• 结语
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A （攻读学位期间所发表的学术论文目录）