地基沉降滑移引起的高桩排架负摩擦力和内力变形研究.pdf

第八届全国现代结构工程学术研讨会 地基沉降滑移引起的高桩排架负摩擦力 和内力变形研究 杨云芳1陈明关2 (1_浙江理工大学，杭州310018；2．中交第二航务工程勘察设计院，上海，200032) 提要：本文研究将桩身杆单元与桩上非线性位移’反力单元叠加构成复合单元(桩单元)的桩结构计算方法。利用桩土侧向P～Y、 轴向T二z曲线，将地基滑移和沉降视为初始位移，编制了考虑地基位移、沉降引起的码头高桩排架负摩擦力和内力、变 形的有限元计算程序。通过对某多级围堤接岸结构的高桩码头排架的数值分析，结果表明在筑堤负摩擦力和土体水平滑动 作用下，上部结构没有产生过大作用力，但桩基承受了很大的轴向压力和较大的弯矩，需采取‘些减小负摩擦力等措施。 关键词：桩基．排架，负摩擦力，杆单元。复合单元 一、刖置 近年来，世界海运行业发展迅速。为了适应全球船舶大型化和专业化发展需要，迫切需要建设各类大型深水 港。“开发大型深水港设计建设技术”已列入交通行业发展序列目录，予以重点扶持。《交通部公路水路交通“十 一五”科技发展规划》将“大型深水港口建设关键技术研究”列为重大专项攻关项目“。。 大型深水港基本采用重力式码头或高桩码头。当采用高桩码头时，后方平台与岸坡连接方式基本应用板桩结 构型式。深水港港池开挖深，板桩结构变形大，边坡稳定性差。为此提出了多级围堤结构与岸线连接的新型式， 这种接岸方式具有施工简单方便、稳定性好的特点。但是，打在接岸围堤中的桩基土体会因大量填方而将产生较 大的滑动和沉降，使桩身承受负摩擦力与弯矩，需研究土体位移对桩基和排架结构的影响。下面以某大型深水港 的多级围堤接岸设计方案为对象，研究筑堤引起的桩身负摩擦力及其对桩基排架受力和变形的影响。 二、桩土相互作用的非线性复合单元法 目前国内外计算桩土相互作用的方法很多，有直接仿真的土体单元一接触面单元一桩身单元法、有位移一反力 曲线法。2’“等。直接仿真的方法需要划分很多的单元及结点，且接触面单元的十工参数也不容易确定，不适宜用 于计算多层非线性地基上的桩结构；位移一反力法是目前世界上较流行的方法，它方法较简单、能反映土对桩作 用的非线性性质与极限状态，本文采用位移一反力法计算多层非线性地基土体滑动和沉降情况下桩结构的内力和 变形问题，能计算因土体变形产生的桩基负摩擦力、桩身弯矩、以及土体变形对排架结构的影响。 本文将桩单元视为由桩身杆单元与桩土非线性位移一反力单元叠加构成的复合单元体。对桩身杆单元的分析， 一般结构力学教科书已有详细介绍，这里不再赘述。对桩土非线性位移一反力单元，采用单元内的位移函数、单 元端的自由度等与杆单元一致。即在平面上有6个自由度，包括i端点的轴向位移q。、侧向位移q：、转角q。，和’ j端点的轴向位移q。、侧向位移q；、转角q。等．如图1所示。 图1 桩土非线性位移一反力单元 单元两端的自由度可记为： 辱=(吼，q2，q3，q。，q5，q。)7 1784 工业建筑2008增刊 第八届全国现代结构工程学术研讨会 由结构力学知，杆单兀内的轴向位移z为线性函数，侧向移y为三次多项式函数，可用下面的函数表示： z=Nj伍Jq，+Ndx)q4 Y=N2(x)q2+N3(x)q3+N5(x)q5+h双x)q6 其中Nio。称为形函数，表达式如下： Nl(炉1·兰；N2(班1-Z∥X+可2，；N3(加算一吾^古九 N4(垆主： N，(加L3--I_X2--可2z3；N。(班一z1^可1扎 式中：L为桩单元长度，x为单元内任意一点到i端点的距离。 以下分析桩土的位移一反力作用产生的等效单元端力和等效单元端切线刚度矩阵。 (一)桩土的位移一反力作用产生的等效单元端力 F=(曩，E，E，‘，E，氏)7，由虚功原理可得： z]ax ∑(只△吼)=f?[p(膏，y)ay+t(x,z)a --j +Jif(J，z)[，l(工)△ql+^，4(工)△q4]dx 对比方程两