论文题目: 基桩屈曲稳定分析的理论与试验研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 岩土工程
作者: 邹新军
导师: 赵明华,刘光栋
关键词: 桩基础,屈曲分析,初始缺陷,临界荷载,能量法,无单元伽辽金法,屈曲模型试验
文献来源: 湖南大学
发表年度: 2005
论文摘要: 随着山区高墩桥梁及大跨径桥梁的不断发展,超长基桩(特别是自由长度较大的高桥墩基桩)的应用日益广泛,桩身屈曲或纵向挠曲分析已成为一相当复杂而又具有重要理论与工程实际意义的课题。尽管国内外学者对此课题已进行大量研究,并提出了相应的理论解答,但多为基于第一类稳定问题的半解析解;试验方面,除早期国外学者所进行的一些研究外,国内虽已完成了部分工作,但也只是初步;至于国内相关行业的规范中,更因缺少可靠的试验数据与成熟的理论计算方法而仅能推荐一些经验公式。因此,为完善规范及便于工程实用,仍需从理论与试验上对桩身屈曲稳定问题进行更深入的研究。 本文首先基于m法假定,采用最小势能原理和变分法分别导得了桩身在无均布轴向荷载、作用有侧摩阻力、自重等载荷工况下的稳定计算长度与临界荷载解析解,进而导得了桩侧地基土反力系数呈一般幂分布时的桩身屈曲稳定分析能量法统一解,并系统地探讨了桩侧摩阻力、桩身自重及地基反力系数分布模式等对桩身屈曲稳定的影响规律:一般情况下可不考虑桩侧摩阻力的影响,而当桩顶自由长度较大时桩身自重的影响不容忽视;至于地基反力系数分布模式对桩身屈曲稳定的影响则与桩身埋置比例有关,埋置比例越大,则影响愈明显。为了考虑桩身可能初始缺陷等对桩身后屈曲稳定的不利影响,首次采用扰动法对桩身初始后屈曲问题进行探讨,获得了不同桩土刚度比、桩顶自由长度等因素对桩身初始后屈曲平衡路径的影响规律曲线。因基于第一类稳定问题的基桩屈曲分析能量法难以考虑桩土共同工作及非线性等复杂因素的影响,首次将新型的无单元伽辽金法引入桩基工程领域,将桩身屈曲视为第二类稳定问题进行数值分析,并对诸如权函数选取、位移边界条件施加、背景积分网格划分及内部位移不连续处理等基本问题进行了深入研究和探讨,然后采用所给出的两种位移边界处理技术对某理想嵌岩桩进行挠曲变形分析,其结果与解析解、有限元法的对比分析不仅验证了无单元伽辽金法的优越性,也发现了该法暂时存在的计算效率偏低、占用资源大等缺陷。随后,提出了处理桩土接触面上存在的材料与位移不连续问题的两类方法:当假定桩土变形协调时,按可视性准则分别采用修正变分原理与罚函数两种方法进行处理;对非变形协调,则基于线弹性—理想塑性接触模型给出了接触分析的非线性迭代算法。并针对桩身屈曲破坏时可能存在的材料非线性,给出了弹塑性问题的无单元伽辽金法算法。在此基础上,建立了桩身屈曲分析的数值模型,并开发出相应的计算程序PBAP_EFGM,其可近似考虑桩土共同工作、材料与几何非线性及桩身可能初始缺陷等因素的影响。另外,设计并完成了多组室内单桩屈
论文目录:
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 问题的提出
1.1.1 桩基础概述
1.1.2 基桩屈曲稳定问题研究的必要性
1.1.3 基桩屈曲稳定问题的研究难点
1.2 基桩屈曲稳定问题的研究现状
1.3 无单元法的发展与应用
1.3.1 无单元法的产生与发展
1.3.2 无单元法在岩土工程中的应用
1.4 本文主要研究内容
第2章 基桩屈曲稳定分析的基本理论
2.1 引言
2.2 基桩屈曲稳定的影响因素
2.3 基桩屈曲稳定问题的分类
2.3.1 屈曲失稳的定义
2.3.2 屈曲稳定问题的分类
2.4 基桩屈曲稳定的判定准则
2.4.1 静力准则
2.4.2 能量准则
2.4.3 动力准则
2.5 基桩屈曲稳定分析方法
2.5.1 静力法
2.5.2 能量法
2.5.3 有限元法
2.5.4 其它方法
2.6 基桩屈曲稳定分析的能量法解答
2.6.1 沿桩身无均布轴向荷载的能量法解答
2.6.2 计入桩侧摩阻力的能量法解答
2.6.3 计入桩身自重的能量法解答
2.6.4 地基反力系数一般幂分布时的能量法解答
2.7 嵌岩灌注桩初始后屈曲平衡性状研究
2.7.1 基本方程的建立与求解
2.7.2 嵌岩灌注桩初始后屈曲性状分析
2.7.3 桩土体系参数对桩身初始后屈曲性状的影响
第3章 无单元伽辽金法基本原理
3.1 引言
3.2 基本概念
3.2.1 移动最小二乘法
3.2.2 权函数
3.2.3 形函数及其导数
3.3 基于不同位移边界条件处理技术的系统方程组推导
3.3.1 拉格朗日乘子法
3.3.2 修正变分原理法
3.3.3 罚函数法
3.4 系统方程组的建立
3.5 系统方程组的特点与求解
3.6 无单元伽辽金法程序实现基本步骤
3.7 算例
3.8 其它相关问题的处理
3.8.1 内部场函数不连续的处理
3.8.2 背景网格
第4章 基桩屈曲稳定分析的无单元伽辽金法
4.1 引言
4.2 桩土材料不连续问题的处理
4.2.1 基于桩土变形协调的材料不连续处理
4.2.2 考虑桩土非变形协调的材料不连续处理
4.3 考虑桩土材料弹塑性的无单元伽辽金法
4.3.1 桩周土体弹塑性本构模型
4.3.2 桩身材料弹塑性本构模型
4.3.3 弹塑性材料本构矩阵
4.3.4 弹塑性过渡区域的处理
4.3.5 弹塑性问题无单元伽辽金法求解步骤
4.4 基桩屈曲稳定分析的无单元伽辽金法
4.4.1 基于特征值分析的桩身屈曲临界荷载求解
4.4.2 基于弧长法的桩身稳定极限荷载求解
4.4.3 基桩屈曲稳定分析无单元伽辽金法程序实现
4.5 其他因素对桩身屈曲稳定的影响
4.5.1 长细比对桩身屈曲稳定的影响
4.5.2 埋置率对桩身屈曲稳定的影响
4.5.3 轴线倾斜对桩身屈曲稳定的影响
4.5.4 初弯曲对桩身屈曲稳定的影响
4.5.5 缩颈对桩身屈曲稳定的影响
第5章 基桩屈曲稳定室内模型试验研究
5.1 引言
5.2 桩土材料选择与参数量测
5.2.1 桩身材料与特性
5.2.2 桩周土选料与参数量测
5.3 试验装置设计
5.3.1 模型箱设计
5.3.2 加载装置设计
5.3.3 量测系统设计
5.4 屈曲试验方法
5.5 试验成果分析
第6章 本文方法在桥梁桩基工程中的应用
6.1 引言
6.2 工程与地质概况
6.3 试验设计与实施
6.3.1 试桩设计与施工
6.3.2 竖向载荷试验设计
6.4 竖向载荷试验结果
6.4.1 桩顶荷载-沉降曲线
6.4.2 桩身混凝土应力-应变关系
6.4.3 沿桩身的轴力分布
6.4.4 桩侧摩阻力和桩端阻力
6.5 桩身屈曲破坏分析
6.5.1 铁路手册法
6.5.2 能量法
6.5.3 无单元伽辽金法
结论
参考文献
致谢
附录A (攻读学位期间论文、著作及科研情况)
发布时间: 2005-09-27
参考文献
- [1].大跨度钢桥极限承载力计算理论与试验研究[D]. 康孝先.西南交通大学2009
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