刚性桩复合地基—筏板基础—上部结构共同作用性状研究

论文摘要

复合地基的理论与应用是目前土木工程中比较活跃的研究领域,近十多年来,复合地基技术得到了较大的发展。由于复合地基中设置的增强体不同,所以各类复合地基的承载机理也不完全相同。其中,刚性桩复合地基是近年来使用较多的一种复合地基型式。所谓刚性桩复合地基就是用钢筋混凝土桩或素混凝土桩这样的刚性桩增强体与周围土体共同承担上部荷载而形成的复合地基。本文根据前人的研究成果,采用一套解析模型分析刚性桩复合地基中桩-土-垫层的相互作用。同时,利用有限元法对上部结构-筏板体系进行分析。其中,筏板采用8结点Mindlin板单元模拟,上部结构采用空间杆系结构（梁单元）进行分析。再应用子结构法,将上部结构的刚度和荷载凝聚到筏板上,从而可以进行刚性桩复合地基-筏板基础-上部结构的共同作用整体结构分析。本文还运用上述基本原理,以团队原有程序为基础,在Visual C++平台上开发了面向对象分析程序OOAPRPCFRS（Object-Oriented Analytical Program for Rigid Pile Composite Foundation-Raft System）,简称OOAP。本文程序主要进行结构的分析计算以及部分后处理,而结构分析的前处理主要通过大型有限元通用软件ANSYS来完成。在其完成前处理后,再通过本文程序的数据转换功能将其产生的前处理数据文件转换为本文程序的读入数据格式,从而进行本文程序的分析计算。随后,运用本文程序对一小算例进行了分析计算。通过其计算结果与试验结果、ANSYS计算结果的对比,对本文程序进行了程序验证。最后,利用本文程序,计算分析了在竖向荷载作用下,刚性桩复合地基-筏板体系在考虑上部结构共同作用时的筏板内力和沉降、复合地基中桩土应力分布、。研究结果表明,本文的解析模型和程序是切实可行的,其计算结果比较令人满意,具有一定的实用价值。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 上部结构与地基基础共同作用分析的研究现状
• 1.2.2 刚性桩复合地基的研究现状
• 1.2.3 半解析－半数值方法的研究现状
• 1.3 本文的研究目的、内容与技术路线
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 研究的技术路线
• 2 上部结构与筏板的有限元分析
• 2.1 引言
• 2.2 上部结构的有限元分析
• 2.2.1 上部结构刚度矩阵的形成
• 2.2.2 子结构法原理
• 2.2.3 上部结构刚度和荷载的凝聚
• 2.3 筏板的有限元分析
• 2.3.1 Mindlin 板理论
• 2.3.2 单元坐标变换和位移函数
• 2.3.3 单元应力和变形计算
• 2.3.4 单元刚度矩阵
• 2.4 上部结构与筏板的耦合
• 2.5 本章小结
• 3 刚性桩复合地基的解析模型分析
• 3.1 引言
• 3.2 刚性桩复合地基概述
• 3.2.1 刚性桩复合地基的概念
• 3.2.2 刚性桩复合地基的作用机理
• 3.2.3 桩体复合地基的破坏模式
• 3.2.4 桩体复合地基的几个概念
• 3.3 线弹性地基模型
• 3.3.1 线弹性地基模型概述
• 3.3.2 Winkler 地基模型
• 3.3.3 分层地基模型
• 3.4 非线性弹性地基模型
• 3.4.1 非线性弹性地基模型概述
• 3.4.2 Duncan-Chang 非线性模型
• 3.4.3 非线性问题计算方法
• 3.5 地基柔度矩阵
• 3.5.1 地基柔度矩阵的计算方法
• 3.5.2 Winkler 地基模型的柔度矩阵
• 3.5.3 分层地基模型的柔度矩阵
• 3.6 桩－土－垫层体系刚度矩阵
• 3.6.1 单桩柔度系数
• 3.6.2 桩－桩相互作用柔度系数
• 3.6.3 桩－土相互作用柔度系数
• 3.6.4 土－土相互作用柔度系数
• 3.6.5 垫层柔度系数
• 3.6.6 桩－土－垫层体系刚度矩阵
• 3.7 整体共同作用分析
• 3.8 本章小结
• 4 面向对象分析程序设计
• 4.1 引言
• 4.2 面向对象程序设计方法
• 4.2.1 面向对象程序设计的基本概念
• 4.2.2 对象和类的基本特点
• 4.2.3 面向对象程序设计的基本过程
• 4.3 基于MFC 的Windows 应用程序编制
• 4.3.1 Windows 应用程序工作原理
• 4.3.2 编程工具Visual C++
• 4.3.3 微软基础类库MFC
• 4.3.4 对话框及其应用
• 4.4 面向对象分析程序OOAP 介绍
• 4.5 面向对象分析程序中的类
• 4.5.1 结点类（CNode）
• 4.5.2 材料类（CMaterial）
• 4.5.3 荷载类（CLoad）
• 4.5.4 单元基类（CBaseElement）
• 4.5.5 上部结构凝聚后的单元类（CBuilding）
• 4.5.6 矩阵类和稀疏矩阵类（CMatrix, CSparseMatrix）
• 4.5.7 整体结构类（CGlobalElement）
• 4.6 面向对象分析程序的执行过程
• 4.6.1 分析前处理与数据输入
• 4.6.2 加载计算
• 4.6.3 计算结果处理
• 4.6.4 程序主框图
• 4.7 结构分析后处理
• 4.7.1 投影变换
• 4.7.2 网格图绘制
• 4.7.3 数据在窗口上的显示
• 4.7.4 变形图绘制
• 4.8 程序验证
• 4.8.1 算例介绍
• 4.8.2 结果分析与讨论
• 4.9 本章小结
• 5 刚性桩复合地基－筏板－上部结构共同作用算例分析
• 5.1 引言
• 5.2 算例介绍
• 5.3 算例计算结果分析
• 5.3.1 上部结构刚度的影响
• 5.3.2 筏板厚度的影响
• 5.3.3 垫层厚度的影响
• 5.3.4 复合地基中桩的竖向承载特性
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文
• B. 函数 DataInput（）读取数据的格式