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水平荷载下基桩受力性能和破坏机理的研究

作　者: 董腾
导　师: 丁科
学　校: 中南林业科技大学
专　业: 结构工程
关键词: 水平荷载钢筋混凝土基桩桩土接触面数值模拟 ANSYS软件
分类号: TU473.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

目前,水平荷载作用下基桩的受力研究主要集中于桩顶受力的情况,而对于桩身水平受荷的研究少之甚少。针对这一问题,本文对桩身承受水平荷载作用时钢筋混凝土基桩的受力性能和破坏机理进行了研究。首先,本文总结了目前国内外水平受荷桩的几种计算方法：张氏法、c法、k法、m法和P-y曲线法,并用m法计算了桩身受水平荷载时单桩的位移和转角。通过引入弹性梁小挠度微分方程,推导出了桩顶水平受荷和桩身水平受荷情况下桩身挠度方程。该方程基本描述了桩身水平受荷时基桩的受力情况,得出了桩身内力随深度变化的关系,即桩身位移与转角是桩身埋深的4次多项式。其次,本文讨论了混凝土、钢筋、土体以及桩土接触面的本构关系,建立了桩土体系的几何模型,利用ANSYS有限元软件对桩身处受水平荷载作用的单桩进行了数值模拟。结果表明水平荷载作用于桩身处时,桩身水平位移变化有3种情况：当荷载较小时,由于桩顶自由,桩顶位移最大；荷载处于中等水平时,荷载处至桩顶位移比较接近；当荷载较大时,桩身弯曲变形,荷载作用处位移最大,并逐渐向两端减小。桩身水平受荷时水平方向的应力呈橄榄型分布,当桩端固定时,桩端压应力最大,荷载作用处为第二极值点。受土抗力和土体变形影响,桩土接触面上的应力沿桩长方向表现为压应力与拉应力交错分布。最后,讨论了桩身弹性模量、管桩直径、管桩壁厚等参数对基桩工作性能的影响。由于土体抗力的影响,改变刚度时,应力变化较大,作用点处的应力随着刚度的增大由拉应力逐渐变成压应力。桩径对桩身变形,尤其是桩端水平位移影响较大,对应力的影响只表现在数值变化上,应力-埋深曲线形状没有变化。管桩壁厚对桩身位移影响不大,对应力的影响也不明显。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-17
  1.1 引言  9-12
  1.2 基桩水平受荷的研究现状  12-15
    1.2.1 地基反力法  12-14
    1.2.2 数值分析方法  14-15
  1.3 本课题研究目的和意义  15
  1.4 本文的主要工作  15-16
  1.5 论文创新点  16-17
2 水平荷载下基桩的受力分析  17-47
  2.1 桩顶水平荷载下基桩的破坏机理  17-19
    2.1.1 刚性桩的破坏机理  17-18
    2.1.2 半刚性桩的破坏机理  18
    2.1.3 弹性长桩的破坏机理  18-19
  2.2 桩顶水平荷载下桩基的受力计算  19-38
    2.2.1 水平荷载下基桩受力常用分析方法  19-25
    2.2.2 弹性地基反力法分析研究  25-38
  2.3 单桩桩身水平受荷的受力分析  38-46
    2.3.1 桩身水平受荷时桩体的受力分析  39-45
    2.3.2 桩身水平受荷时桩体的破坏机理  45-46
  2.4 本章小结  46-47
3 桩身水平受荷单桩的数值计算分析  47-61
  3.1 数值分析方法的研究现状  47-51
    3.1.1 有限单元法概述  47-48
    3.1.2 有限单元法原理  48-51
  3.2 桩土相互作用  51-59
    3.2.1 土体的本构模型  52-53
    3.2.2 混凝土本构模型  53-55
    3.2.3 钢筋的本构模型  55
    3.2.4 接触面本构关系  55-56
    3.2.5 接触面单元  56-59
  3.3 本章小结  59-61
4 基桩受力的数值模拟  61-81
  4.1 水平受荷桩的数值模拟  61
  4.2 算例分析  61-63
  4.3 ANSYS数值模拟  63-66
    4.3.1 桩土体系几何模型的建立  63
    4.3.2 单元及材料的选择  63-65
    4.3.3 桩土接触面的处理  65
    4.3.4 土层与基桩的单元划分  65-66
    4.3.5 桩土约束及桩身水平荷载的施加  66
  4.4 数值模拟结果分析  66-74
    4.4.1 水平荷载下桩身位移与应力分析  66-72
    4.4.2 水平荷载下桩身破坏分析  72-74
  4.5 桩土体系数值模拟时参数的影响分析  74-80
    4.5.1 桩土刚度比对基桩受力的影响  74-76
    4.5.2 管桩直径对基桩受力的影响  76-78
    4.5.3 管桩壁厚对基桩受力的影响  78-80
  4.6 本章小结  80-81
5 结论与展望  81-83
  5.1 结论  81-82
  5.2 展望  82-83
参考文献  83-89
附录攻读学位期间学术论文和科研情况  89-91
致谢  91

水平荷载下基桩受力性能和破坏机理的研究

内容摘要

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