水平力作用下岩土工程结构内力计算方法研究

发布时间：2019-09-26 15:53

【摘要】：桥梁墩台、抗滑桩及基坑支护结构是岩土工程中最常见的三种结构类型,在设计时通常要进行大量的分析计算来保证结构在荷载作用下的安全稳定。桥梁墩台在受到水平荷载作用时,经常会出现桩体破坏的现象,进而影响到桥梁下部结构的稳定性,影响桥梁的正常使用。柔性墩台理论使墩台具备了一定的柔度,从而能够承担上部的水平力。抗滑桩凭借桩与桩周土体的共同作用,将滑坡推力传递到稳定的地层,并利用稳定地层的锚固作用和被动抗力来平衡滑坡推力。基坑支护结构则主要承受基坑开挖卸荷所产生的土压力与水压力,并将此压力传递给支撑,是一种临时施工挡墙结构。由于影响因素较多,设计时必须根据实际情况,采用最为适宜的支护形式。柔性墩台的内力通常因墩顶和桩顶的约束条件不同而不同,其上部结构传递的水平力也因各墩的刚度不同而不同,常采用集成刚度法计算,步骤十分繁琐。抗滑桩在水平力作用下的内力分析通常采用圆弧法或滑坡推力法进行计算,分析过程比较复杂,常会出现人为误差。基坑支护结构的内力计算随方法比较成熟,但是如果地层条件较复杂,基坑开挖深度较深时,计算过程往往非常繁琐,增加了误差产生的几率,给设计施工带来不便。随着计算机技术的飞速发展,各类计算软件层出不穷。理正岩土计算软件在抗滑桩内力计算和基坑支护设计中应用比较广泛,而ANSYS有限元软件、Midas GTS、桥梁博士等软件在桥梁结构设计中应用较多。这些软件以有限元分析理论为基础,对桥梁墩台进行单元结构的划分,约束条件的确定,最终在计算机上建立模型。有限元法在计算时需要进行大量的单元划分,并且需要对节点约束条件进行分析,其单元划分的质量优劣对计算结果的精确度影响很大。本文以Maple代数计算软件为平台,以弹性地基梁理论为基础,分别对水平力作用下岩土工程中常见的桩柱式柔性墩台、抗滑桩结构及悬臂式基坑支护结构的内力计算方法进行研究分析,并通过实际案例论述了Maple计算软件在岩土工程结构内力计算中的适用性。在案例中,将Maple所得计算结果与其他常用计算分析方法所得结果进行比较,总结二者之间的规律,并提出Maple计算方法对实际检测结果的修正值,为结构内力计算更加准确、方便、快捷提供参考依据。本文还对冻土地区墩台结构在地基土冻胀力作用下的内力计算方法进行了研究,并以实际工程为例进行了分析研究,为Maple计算软件在实际工程中的应用及推广提供数据参考。通过案例分析的对比结果,主要取得了如下成果:1)应用Maple计算软件对水平力作用下的柔性墩台、抗滑桩及基坑支护结构进行了计算其结果具有较高精度,计算过程方便快捷,程序编辑简单易懂,作为一种新的计算方法,可以在实际工程设计计算中推广使用。2)基于m法的计算原则,对于柔性墩台的支座微分方程进行了推导,并根据温度影响力、混凝土收缩、徐变作用下,各墩台协同变形关系建立整桥的边界条件。采用Maple计算软件计算结构内力,既不用进行繁琐的计算,也不用进行大量的查表工作,通过与集成刚度法和Midas有限元软件的计算结果进行对比,所反映的内力变化规律基本一致,并且具有很高的精度,可以作为桥梁墩台内力计算的一种新方法应用到实际工程设计计算中。3)在抗滑桩的内力计算中,将刚性短桩与柔性长桩均按m法进行计算,并与理正软件的计算结果进行对比,二者反映的位移、弯矩、剪力的变化趋势基本相同。从数值上看,Maple的计算结果稍大。通过与实际监测数据的位移结果进行对比,Maple计算的刚性桩结果的修正系数为0.85,柔性桩计算结果的修正系数为0.86。采用Maple计算软件计算抗滑桩的内力与位移,无需再进行刚性桩还是柔性桩的判别,只需对结果进行修正即可,修正系数为0.86,计算结果精确、可靠,可以作为抗滑桩内力计算的一种新方法推广应用。4)在基坑支护结构的内力计算中,以排桩结构为例,将计算结果与理正软件的计算结果进行对比,Maple的计算结果稍大,但其位移、弯矩、剪力的变化趋势基本一致。将Maple计算结果与实际监测数据进行对比,计算出Maple的修正系数为0.85。因此,可将Maple计算软件应用到悬臂式基坑支护结构的内力计算中,结果准确可靠。5)本文针对冻土区桥梁墩台基础的受力特点,对桩柱式基础进行了模拟计算。在进行单元划分时,将冰冻线以内的桩基结构单独作为一个单元考虑,同时考虑水平力作用、横向土抗力作用以及桩周切向冻胀力的作用。推导出的桩基结构微分方程主要由轴向变形微分方程和法向变形微分方程共同来表达。在推导过程中,切向冻胀力被高阶最小化掉,因此整个计算过程中切向冻胀力的影响可被视为忽略不计。在实际工程中,切向冻胀力的影响可通过施工技术手段将其消除,基本上等同为忽略切向冻胀力的影响。因此,Maple计算软件同样适用于冻土区桥梁墩台基础的内力计算分析。本文的创新在于:(1)本文基于弹性地基梁理论,根据柔性墩台结构在水平力作用下的受力特点推导出了支座结构的微分方程表达式,并以温度影响力、混凝土收缩、徐变作用下,各墩台之间的变形关系设定求解方程组的边界条件。(2)本文在抗滑桩计算中,不进行刚性和柔性的区分,全部按照m法进行分析,并将抗滑桩和排桩等悬臂式支护结构的Maple计算结果与实际监测数据进行了比较,并提出了Maple计算方法的修正系数。(3)在计算冻土区桥梁墩台基础内力时,运用Maple计算方法可将切向冻胀力在微分方程中高阶最小化,简化了分析过程。通过与专业软件的计算结果进行对比,验证了Maple计算方法在冻土区桩基础内力计算中具有一定的适用性。
【图文】：

赵州桥

图 1.1 赵州桥图 1.2 南京长江大桥桥梁通常分为上部结构和下部结构，下部结构主要为桥墩或桥台。桥梁墩台的主要作用是承受上部结构传来的荷载，并通过基础将此荷载及其自身的重量传递到地基上。因此墩台历来都修建的比较庞大，施工过程中需要耗费成百上千立方米的圬工工程量。柔性墩台的提出打破了原有

南京长江大桥

图 1.1 赵州桥图 1.2 南京长江大桥桥梁通常分为上部结构和下部结构，下部结构主要为桥墩或桥台。桥梁墩台的主要作用是承受上部结构传来的荷载，，并通过基础将此荷载及其自身的重量传递到地基上。因此墩台历来都修建的比较庞大，施工过程中需要耗费成百上千立方米的圬工工程量。柔性墩台的提出打破了原有
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U442

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