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高地震烈度软土预应力管桩(PHC)桩基础的抗震特性研究
作 者: 李光明
导 师: 刘春原
学 校: 河北工业大学
专 业: 结构工程
关键词: 预应力混凝土管桩 抗震性能 振动台试验 数值模拟分析 非线性
分类号: TU473.1
类 型: 博士论文
年 份: 2013年
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内容摘要
针对高地震烈度、软土强度等影响预应力混凝土管桩(PHC)抗震性能的技术难题,展开结构性能试验、振动台试验、现场试验、理论分析及仿真模拟硏究,在桩身弯矩变化规律、桩土变形机理、抗震稳定性与变形控制方法、压弯破坏特性与质量检测等方面取得了突破。为预应力混凝土管桩(PHC)抗震性能的经济合理设计、施工提供了科学依据,为在高地震烈度区(场地类别为Ⅲ、Ⅳ类)预应力混凝土管桩(PHC)基础的安全使用提供了有力保障。本文主要:1.证明了在水平力荷载作用正常使用状态下预应力混凝土管桩(PHC)的破坏形态是压弯破坏,而不是剪切破坏,预应力混凝土管桩(PHC)的抗剪破坏滞后于弯曲破坏。2.确定了在各工况中预应力混凝土管桩(PHC)桩身弯矩最大值的产生位置约为距离桩顶5~6倍的桩径,反推原型(PHC500-AB100)发现,在El-centro地震波作用下,桩身在El-0.2g波时尚未发生危险截面的破坏,但是到El-0.3g、El-0.4g时桩身最大弯矩值都超过了规范中规定的极限弯矩值,该危险截面直接决定了桩身是否处于正常工作状态,此处是预应力混凝土管桩在抗震设计时的危险截面。3.建立并验证了预应力混凝土管桩(PHC)时程分析的数值模型,仿真计算表明最大弯矩值出现在5倍的桩径处,已造成预应力混凝土管桩(PHC)的开裂,其值已经接近或超过预应力混凝土管桩(PHC)的极限弯矩值。4.在高地震烈度软土地基中软弱夹层的存在会增大地表位移,使桩土相对位移增加;管桩在软弱土体中的运动表现为剪切型特性,土体越软,桩体的水平相对位移越大。5.为了保证预应力混凝土管桩(PHC)在高地震烈度(场地类别为Ⅲ、Ⅳ类)的安全与稳定,首次提出了竖向承载力设计抗弯强度校核的设计原则;硏究发现通过抗弯强度校核的管桩基础抗震设计,可以排除地震风险隐患,这个原则推广应用后大大提高建筑物的安全性。
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全文目录
摘要 4-5 ABSTRACT 5-11 第一章 绪论 11-23 1.1 引言 11 1.2 国内外预应力混凝土管桩应用技术的研究现状 11-16 1.2.1 预应力混凝土管桩发展历程 11-12 1.2.2 预应力混凝土管桩研究现状 12-16 1.3 预应力混凝土管桩力学性能的研究 16-18 1.3.1 竖向承载性状的研究 16 1.3.2 抗剪、抗弯承载力性状的研究 16-17 1.3.3 预应力混凝土管桩抗震性能的研究 17-18 1.4 本课题研究的意义及其主要研究内容 18-23 1.4.1 本课题研究的意义 18 1.4.2 本课题研究的主要内容 18-19 1.4.3 本课题研究的技术思路 19 1.4.4 本课题研究的技术方案 19-23 第二章 管桩抗剪及抗弯承载力性能的试验研究 23-47 2.1 管桩抗剪试验的试件制作 23-27 2.2 管桩抗剪试验结果分析 27-32 2.3 各试件的试验结果整理 32-37 2.4 管桩抗剪试验结果分析 37-38 2.5 管桩的抗弯承载力性能试验研究 38-45 2.5.1 管桩抗弯试验 38-44 2.5.2 试验结果的理论分析 44-45 2.5.3 管桩抗弯承载力影响因素 45 2.6 本章结论 45-47 第三章 预应力管桩振动台模型试验研究 47-67 3.1 模型试验方案的设计 47-56 3.1.1 模型相似设计 47-49 3.1.2 试验原型建筑的重力荷载 49-50 3.1.3 原型结构的自振周期 50-51 3.1.4 振动台模型管桩设计 51 3.1.5 试验仪器选择和测点布置 51-53 3.1.6 振动台实验过程 53-54 3.1.7 桩模型试验时程曲线 54-56 3.2 单桩模型试验结果及分析 56-60 3.2.1 单桩受力分析 56-57 3.2.2 正弦波及地震波作用下单桩内力分布曲线 57-59 3.2.3 不同因素对单桩内力分布的影响分析 59-60 3.3 双桩桩模型试验结果及分析 60-63 3.3.1 双桩内力沿桩身分布图 60-63 3.4 四桩桩模型试验结果及分析 63-65 3.5 本章结论 65-67 第四章 预应力混凝土管桩振动台试验的数值模拟分析 67-93 4.1 数值模拟的理论基础 67-68 4.1.1 有限单元法概述 67 4.1.2 常用有限元软件 67-68 4.2 预应力混凝土管桩振动台试验数值模型的建立 68-74 4.2.1 概述 68-70 4.2.2 模型尺寸 70-71 4.2.3 数值模型的建立 71-72 4.2.4 材料属性 72 4.2.5 模型设置 72-74 4.3 单桩承台抗震试验数值模拟分析 74-79 4.3.1 桩身弯矩 74-77 4.3.2 桩身轴力 77-79 4.4 双桩承台抗震试验数值模拟分析 79-85 4.4.1 桩身弯矩 79-83 4.4.2 桩身轴力 83-85 4.5 三桩承台抗震试验数值模拟分析 85-89 4.5.1 桩身弯矩 85-87 4.5.2 桩身轴力 87-89 4.6 四桩承台抗震试验数值模拟分析 89-92 4.6.1 桩身弯矩 89-90 4.6.2 桩身轴力 90-92 4.7 本章小结 92-93 第五章 高地震烈度区预应力混凝土管桩的抗震性能 93-121 5.1 引言 93 5.2 不同桩型在地震荷载作用下桩身弯矩对比分析 93-99 5.3 不同桩基形式桩-土动力 P-Y 曲线 99-119 5.3.1 P-Y 曲线法介绍 99-101 5.3.2 P-Y 曲线结果分析 101-117 5.3.3 桩顶水平力对比分析 117-118 5.3.4 小结 118-119 5.4 本章小结 119-121 第六章 高地震烈度软土区预应力混凝土管桩抗震性能分析 121-171 6.1 引言 121 6.2 强震软土区预应力混凝土管桩数值模型的建立 121-126 6.2.1 强震软土区工程概述 121-122 6.2.2 数值模型的建立 122-126 6.3 单桩抗震性能分析 126-137 6.3.1 单桩水平承载力的计算 126-137 6.4 四桩抗震性能分析 137-142 6.4.1 桩身弯矩 137-142 6.5 软土地区不同桩基形式桩-土动力 P-Y 曲线 142-170 6.5.1 P-Y 曲线结果分析 142-166 6.5.2 粉土地区与软土地区 P-Y 曲线对比分析 166-169 6.5.3 小结 169-170 6.6 本章小结 170-171 第七章 场地类别Ⅲ、Ⅳ类区预应力混凝土管桩抗震设计 171-183 7.1 引言 171-172 7.2 管桩抗震性能风险评价分析 172-173 7.3 预应力混凝土管桩抗震设计 173-174 7.4 管桩桩身结构抗弯承载力设计 174-176 7.5 管桩桩身结构轴心抗压承载力设计 176 7.6 管桩桩身结构抗剪承载力 176-178 7.7 六桩数值模型的建立 178-181 7.7.1 管桩平面布置情况 179 7.7.2 原工程实例数值模型结果的对比分析 179-181 7.8 本章小结 181-183 第八章 结论与展望 183-187 8.1 结论 183-185 8.2 展望 185-187 参考文献 187-193 攻读学位期间所取得的相关科研成果 193-195 致谢 195
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中图分类: > 工业技术 > 建筑科学 > 土力学、地基基础工程 > 地基基础 > 桩基及深基础 > 桩基
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