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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。

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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