连续结构大直径基桩水平承载力特征值确定方法研究

基桩水平承载力特征值通常由基桩容许水平变形值确定.连续结构(如桥梁)更关注墩顶水平位移容许限值对基桩水平承载性能的影响,判定连续跨越工程单桩水平承载力特征值时,应综合考虑基桩变形以及墩台变形限值等因素.通过分析刚性墩、柔性墩的水平变形特征,并根据墩柱变形限值要求得到海床(地面)处基桩的水平位移限值的分布特征.在此基础上,结合地基土承载特性,提出采用墩顶水平位移容许限值和海床(地面)处桩身水平位移限值两项指标综合判定连续结构(如桥梁)单桩水平承载力特征值的方法.结合实体工程试桩进行了实例分析,分析结果表明:判定的试桩单桩水平承载力特征值小于根据相关规范得到的判定值,说明通过试桩试验分析单桩水平承载性能的方法合理可行.     

考虑轴向横向荷载共同作用的基桩可靠度

结合确定性有限单元法与响应面法提出一种分析基桩可靠度的计算方法,并对基于桩顶水平位移过大和桩身材料屈服失效模式下倾斜荷载桩的可靠度进行了探讨,讨论了这两种破坏模式下影响基桩可靠度的多种因素,得到了若桩身施工质量控制水平较好,可按桩身材料屈服失效模式设计,若施工质量控制不理想,则宜按水平位移失效模式设计,以及倾斜荷载桩虽然存在P-A效应,但是和水平荷载影响相比,竖向荷载的变异性对基于桩顶水平位移过大和桩身材料屈服失效模式下基桩的可靠度影响不大等结论.     

陡坡段桩柱式桥梁的基桩受力分析与施工研究

随着社会经济的不断发展,陡坡段桩柱式桥梁的基桩也被广泛应用于西部山区。但是,与平原地区不同,西部山区的地形和环境等较为复杂,这就使得其陡坡段桩柱式桥梁基桩的承载力容易受多方面因素的影响,从而给该类工程建设带来了一定的难度。因此,加强对其受力情况与施工的研究尤为重要。论文通过分析基桩的承载特性,设计了相应的简化受力模型,进而对其水平位移与受力情况进行了具体推导。再通过列举某山区的实际工程,来对其滑坡推力、基桩内力、桩端末平衡弯矩、进行实际的计算与验证。由此可知,加强对陡坡段桩柱式桥梁基桩的防护、加固与维修,能够有效促进桥梁工程的顺利进行,并确保其使用过程中的安全性。     

水平受荷桩的非线性无网格法分析

首先利用移动最小二乘近似得到求解域内的全局近似函数,再采用迦辽金法对控制方程离散,以获得无网格迦辽金方法的基本计算方程,并考虑到基桩承受水平荷载过程中的挠曲变形,探讨了无网格法在大变形问题中的具体实现;最后以湖南益阳茅草街大桥的水平静载荷试验为工程背景,采用本文理论编制考虑非线性大变形的无网格法计算程序对其进行分析。计算结果与现场实测数据吻合良好,验证了该方法的合理性与有效性,并指出桩周土体的强度和软化对基桩水平承载力的影响很大,可供工程参考。     

锚喷衬砌隧道结构稳定可靠度计算

根据地层特征曲线和围岩剪切滑移理论,分析围岩最小荷载计算方法。基于薄壁圆筒与锚杆端锚理论,分析喷射混凝土层(简称喷层)及锚杆的支护抗力确定方法。建立由锚杆支护抗力、喷层支护抗力和围岩荷载构成的圆形锚喷支护隧道结构功能函数。为了求解该非线性隐式功能函数的可靠度指标,首先,利用验算点与可靠度指标的关系,将极限状态方程由多自变量(结构基本变量)的隐式形式转变为单自变量(可靠度指标)的隐式形式;然后,通过泰勒公式将其展开成级数,截取其前若干项,导出可靠度指标的迭代逼近计算公式;再将复合函数求导法则与差分求导结合起来,推出逼近计算表达式中系数的导数求解格式。上述研究形成了基于泰勒级数与差分求导数结合的锚喷支护隧道结构稳定可靠度指标分析方法。采用该方法分析某公路隧道结构的稳定可靠度,并与蒙特卡罗方法的精确解进行对比,两者的绝对差异为0.018%,相对差异为4.47%。     

桥梁桩基结构系统的可靠性研究

以概率理论为基础的结构系统可靠性的研究,是未来结构工程学科研究必然发展的趋势。桥梁工程中基柱和桩基础也是由不同构件按不同方式组成的结构体系。进行桩基结构系统可靠性的研究,就能更加正确地了解桩基结构系统的工程特点和真实本质。以概率论为基础,结合岩土工程和桩基工程的特点,在土工参数分析和地基土构件可靠度研究的基础上,从研究组成基桩的基本构件──地基土和桩身入手,分析计算了这两个组成构件的可靠性,认为基桩是由地基土和桩身这两个构件组成的串联结构体系。据此分析了它们在构成基桩结构系统时的逻辑关系,建立了系统可靠性计算模型,得出了系统可靠度指标的计算方法。在基极可靠性研究的基础上,进一步研究了由基桩按不同布置方式、基桩间能力等相关和不等相关条件下的桩基结构系统的可靠性问题。得出了不同组成形式下基桩间功能上的逻辑关系和结构简化计算模型;推导出了不同组成系统可靠度指标的计算公式;提出了桩基结构系统中基桩间能力相关系数的实用计算方法,便于可靠性在桩基结构系统中的应用。桥梁桩基结构系统可靠性的研究,为建立在可靠度基础上具真正意义的桥梁桩基设计技术规范的进一步改革打下了良好的基础。     

考虑土体非线性时被动桩内力和变形特性计算

将位移法和p-y曲线法相结合以计算被动桩桩身内力和变形。将桩周土体水平位移与桩周软土层厚度、土体性质、堆载工况等因素联系起来,基于位移法计算邻近堆载对基桩产生的影响,并对比选用典型p-y曲线模型描述桩侧土抗力与桩身水平位移之间的关系。综合考虑桩顶荷载及桩周堆载的影响,建立了引入P-Δ效应的被动单桩桩身挠曲微分方程,采用有限差分法对方程进行求解,得到考虑土体非线性时被动桩桩身内力和变形。据此采用Fortran语言编制程序DSN,对典型案例进行计算并与实测数据进行对比,验证了计算方法和程序的正确性。结果表明:在误差允许范围内,可采用本文所述方法计算考虑土体非线性时被动桩内力和变形。     

可靠度指标优化计算法在岩土工程可靠度研究中的应用

从可靠度分析的JC法基本原理出发，结合可靠度指标的几何意义，从纯数学的角度探讨了用几何方法计算可靠度指标的可行性。建立了可靠度指标求解的数学模型，用Matlab语言编制了通用的计算程序。通过具体工程算例，与JC法计算得到的结果进行了对比。并讨论了该方法的优越性。     

长短桩复合地基稳定承载可靠度分析

以稳定性分析为基础,提出长短桩复合地基承载力可靠度计算的优化方法。数据表法利用可靠度指标的几何意义,在基本变量空间中直接求解可靠度;它与稳定分析中的圆弧滑动法有着相似的计算求解过程,将两者结合起来形成相对简单的、可用于计算长短桩复合地基承载力可靠度指标的优化方法。用圆弧滑动法建立长短桩复合地基的两种破坏模型,推导出极限状态函数,采用数据表法在Excel2007中处理数据,求得安全系数和可靠度指标。结合实例,计算出可靠度指标,并用蒙特卡罗法验证。从可靠度分析角度确定了最危险滑弧的位置,发现滑动破裂面穿过了长短桩复合地基的上下两个加固层,同时对可靠度的影响因素进行了讨论,发现土体重度γs、内摩擦角φs和上部荷载p的变异对可靠度指标影响较大。     

地震作用下钢框架结构抗竖向连续倒塌可靠度分析

为了对偶然荷载作用下结构的抗连续性倒塌进行可靠度研究,采用OpenSEES软件建立钢框架连续倒塌分析数值模型,考虑到钢框架结构材料和荷载的不确定性,使用拉丁超立方抽样方法生成钢框架结构随机样本,并采用随机Pushover算法对钢框架结构进行分析,计算得到X、Y两个方向不同地震水平下各钢柱承载能力及变形能力的可靠度指标,根据抗震可靠度相关理论确定目标可靠度指标,通过比较各柱的可靠度指标和目标可靠度,对结构在地震作用下最可能失效构件进行识别。基于所识别的最可能失效构件,结合所生成的100组钢框架结构随机样本,采用拆除构件法对钢框架结构在单柱失效和多柱失效等工况下进行抗连续倒塌IDA分析,得到随机IDA分析曲线。通过结构连续倒塌极限状态方程,计算得到损伤结构发生连续倒塌的概率及连续倒塌条件可靠度指标。采用基于风险的结构连续倒塌概率表达式,分析地震作用下钢框架结构发生局部破坏后的连续倒塌全概率可靠度,为准确评价钢框架结构在地震作用下的抗连续倒塌能力提供依据。     

高陡斜坡区基桩水平承载特性模型试验研究

凭经验建造的高陡斜坡区桥梁基桩因水平作用引起病害的情况越来越多。为此,以红顶特大桥为原型,设计一套加载装置和试验方案,考虑基桩位于边坡中的位置与受力形式2个因素,对基桩水平承载特性进行水平静载与轴–横向组合加载模型试验研究并分别得到桩顶位移,水平荷载与相对位置及竖向荷载的拟合关系。结果表明,水平循环荷载作用下,桩顶水平位移与桩身弯矩均随荷载及其循环作用次数的增大而增大;水平荷载作用下,基桩水平极限承载力与其所在位置距坡脚的水平距离呈反比,即基桩越靠近坡脚线,其水平极限承载力越大,同时桩顶水平位移、桩身弯矩则越小;水平与竖向同时加载对基桩水平极限承载力的影响,与预加竖向荷载是否达到基桩竖向变形稳定荷载临界值有关,竖向荷载小于该临界值时,可提高基桩水平极限承载力,竖向荷载大于该临界值时,会降低基桩水平极限承载力。     

水平及扭转荷载作用下群桩基础受力分析方法

江河与海上的大型结构在船舶撞击、风浪等作用下,其桩基础往往会受到水平及扭转荷载共同作用,极易造成基础倾斜倒塌。针对水平和扭转共同受荷下群桩基础,建立了由刚性承台-弹性梁-土非线性弹簧组成的群桩计算模型。通过水平p-y曲线法、竖向荷载传递法、扭转τ-θ曲线法,计算单桩非线性刚度;群桩各基桩间相互作用和基桩各自由度耦合,通过考虑p乘子和运用考虑推力弯矩影响的基桩受扭计算模型体现。结合牛顿迭代法,对计算模型进行求解,并与大尺寸物理模型试验结果进行了对比。通过参数分析表明在水平和扭转荷载共同作用下,群桩中各基桩桩头剪力分配不均性十分显著;并获得不同承台高度时群桩中基桩轴力变化规律,为复杂荷载下群桩设计提供依据。     

考虑斜桩的群桩基础设计与分析程序开发

桩基础是一种重要的基础形式,在受到水平荷载作用时,经常会设计部分斜桩提高其水平承载力,然而考虑斜桩的群桩基础尚无明确的计算方法。基于桩和承台共同作用的基于线性弹性模型的梁柱原理为基本分析理论,由结构物的刚度矩阵求解得到承台的空间位移和每根基桩分配的荷载,并求解每根桩的内力和位移,对桩基础进行计算与分析。基于以上计算方法与面向对象的编程技术开发了考虑斜桩的群桩基础的分析与设计程序,建立由直桩或斜桩和各种地层组成的群桩的三维桩土模型,计算承台与基桩的空间受力与位移,并能通过改变桩的直径与布置等调整桩的刚度,从而改变桩的受力与变形,优化设计,具有很好的工程实用价值。     

输电线路桩板基础基桩的内力与变位计算

 通过对桩板基础的受力进行深入分析后,首先提出利用板顶地基土的竖向抗力系数计算其上拔抗力,并基于“m”法的幂级数解答,按桩顶处土的水平抗力系数不为0推导基桩桩顶刚度系数,然后通过建立底板受力平衡方程求出底板的变位,再利用底板的变位求出基桩的内力和变位,从而获得一种桩板基础基桩内力与变位的计算方法。最后,利用该方法对一个四桩桩板基础的基桩内力和变位进行计算并对结果进行分析和比较。     

重庆市嵌岩桩单桩承载力可靠指标分析

对重庆市近10年102根嵌岩灌注桩试桩资料进行统计分析,建立单桩无量纲随机变量的极限状态方程,采用改进JC法和Monte-Carlo法计算得到重庆地区嵌岩桩基目标可靠度的范围,进而提出重庆地区嵌岩桩基目标可靠指标的建议值。最后引入可靠系数(代替荷载分项系数和抗力分项系数)并计算了嵌岩桩单桩承载力的可靠系数,提出采用可靠系数表达的极限状态设计实用表达式,该表达式体现了简单实用的原则,利于设计人员掌握和理解,便于工程应用。     

倾斜荷载下高陡边坡桥梁基桩内力计算

高陡边坡上桥梁基桩既要承受来自上部轴向与水平向的荷载作用，又要抵抗桩侧滑坡推力，具有承重与阻滑双重功能，其受力性状远比抗滑桩和平地上两侧无坡度的单一倾斜受荷桩要复杂得多。在考虑高陡岩质边坡滑坡推力的基础上，根据现场试验得到岩质边坡滑坡推力分布应为两端小、中间大的抛物线形式的规律，提出桩后岩质边坡滑坡体推力按抛物线分布荷载计算模型，进而提出适用于高陡边坡桥梁基桩内力及位移分析的有限差分解，并结合湖南邵怀高速公路K83＋745桥梁基桩实测数据分析表明理论与实测结果吻合良好，所提出的针对高陡边坡桥梁基桩内力及位移计算的有限差分法是可行的，深入探讨高陡边坡桥梁基桩内力及位移计算对于推广其工程应用具有理论和工程应用价值。     

边坡稳定的非线性有限元可靠度分析方法研究

在分析和评价现有的边坡稳定性分析方法的基础上,综合岩土力学、弹塑性力学、非线性有限元方法、概率论与数理统计、可靠度数学及计算机科学等多学科知识,研究了边坡稳定非线性有限元可靠度分析的有关方法,推导了相关公式,并编制了相应的计算程序,进行了均质土坡及非均质土坡的可靠度分析.主要研究成果与结论如下:(1) 提出基于强度折减的边坡稳定有限元可靠度分析方法.此方法无需对各有限单元求单元的可靠指标,能一次性得出边坡的整体可靠指标;不需对定值法有限元分析程序作修改,无论是线性有限元问题还是非线性有限元问题都适用,因而方便易用、适用性广.(2) 基于增量初应力法及偏微分技术,研究了基于滑面应力分析的非线性有限元可靠度分析方法中边坡整体可靠指标及其对应滑面位置的求解方法,探讨了有限元分析中功能函数形式对计算结果的影响.在这种方法中,功能函数的形式对滑面可靠指标的影响很大,计算中应采用考虑滑面方向的函数形式作为功能函数,它能更好地反映滑面方向对边坡可靠指标的影响,物理概念明确.(3) 分析比较了上述两种方法的异同点:基于强度折减的有限元可靠度分析方法编程简单,可调用现有的定值法程序,但计算速度较慢;基于滑面应力分析的有限元可靠度分析方法编程复杂,需对现有的定值法分析程序进行较大修改,但计算速度较快,并且能得到边坡整体可靠指标对应的滑面位置;两种方法本质相同.(4) 针对当前响应面法中的一些不足之处,提出了一种改进的响应面法.其主要的计算分二步:一是用验算点法求解可靠指标及验算点的位置,二是在此验算点处进行响应面的拟合,并对此响应面函数用常规的可靠度分析方法求解相应的可靠指标.该方法在计算精度及效率上比常用的基于响应面迭代的响应面法有所提高.(5) 研究边坡有限元可靠度分析中的敏感性计算方法,推导基本变量相关时在原始空间中求解可靠指标对参数敏感性的计算公式,提出进行参数的相对敏感性分析方法及公式.基本变量相关时在原始空间中求解可靠指标对参数敏感性的优点是无需求解转换矩阵,计算更加简单直接;对参数进行相对敏感性分析能剔除变量的单位对计算结果的干扰,敏感性分析的结果更具有可比性.(6) 研究结果既考虑边坡的弹塑性材料非线性又考虑其大变形几何非线性:在小变形情况下,弹性模量对边坡的安全系数及可靠指标影响很小,在边坡稳定性分析时可以忽略其影响.但是当考虑土体中发生的大变形现象时,弹性模量对边坡安全系数及可靠指标影响很大,不能忽略不计.(7) 为提高非线性有限元程序的收敛性,基于常规有限元计算中的Aitken加速收敛算法,研究了基于增量切线刚度法的随机有限元分析中相应的加速收敛方法,推导了其计算公式.与不采用加速收敛算法的随机有限元相比较,此方法明显提高了有限元计算的收敛速度,提高了计算效率.(8) 研究了有限步长迭代法在边坡稳定有限元可靠度分析中的应用,分析了初始步长及步长控制系数对一阶可靠度分析中可靠指标迭代过程的影响,这种方法克服了常规验算点法中可能出现的可靠指标迭代不收敛的问题.     

群桩受扭工作性状及非线性计算理论研究

复杂环境或复杂结构下的群桩基础将受扭矩荷载作用,深入探讨受扭群桩工作性状,并建立相应计算理论十分必要。首先在分析受扭群桩变形与荷载分配特点的基础上,考虑实际工程中各基桩的刚度差异,提出采用3个参数(承台转心x坐标与y坐标、转角φ)描述各基桩位移量的方法,并基于力平衡条件解算承台转心位置及任意转角条件下各基桩所分配的水平荷载和扭矩荷载。引入p–y曲线法与单桩扭矩刚度计算理论分别确定各基桩的水平刚度与扭转刚度,考虑受扭群桩中基桩共同工作特性与扭矩–水平荷载耦合作用特性,结合现有的试验成果确定了相关计算参数的取值。根据该方法编制了相应的计算机程序,实例分析表明,本文程序计算结果与实测结果吻合较好。最后,对刚度不对称时群桩转心位置的偏移量进行了计算分析,获得了一些有益的结论。     

基于有限元法和一次二阶矩法的桥梁结构可靠度研究

针对一次二阶矩法求解结构可靠度指标时功能函数不能显式表达导致的梯度求解困难问题,采用确定性有限元法与改进的一次二阶矩法相结合的方法,以钢管混凝土拱桥为研究对象,对纵梁跨中截面进行正常使用极限状态下可靠度分析,得到其在几何尺寸、材料特性及外荷载等均为随机变量情况下的可靠度指标,并通过灵敏度分析,评价各随机变量对结构可靠度指标的影响程度。     

基于神经网络和改进JC法的预应力混凝土连续梁桥可靠度研究

由于预应力混凝土连续梁桥极限状态功能函数不能显式表达,导致其可靠度求解困难。本文将BP神经网络与改进JC法引入预应力混凝土连续梁桥可靠度分析领域,首先利用BP神经网络对结构功能函数进行拟合,将高度非线性的极限状态方程显式化,然后采用改进JC法全局搜索验算点并求解可靠度指标,并采用算例来验证该方法的精度和效率。然后以一座预应力混凝土连续梁桥为例,计算结构的可靠指标。计算分析结果表明,BP神经网络和改进JC法能很好地应用于预应力混凝土连续梁桥的可靠度分析,能够弥补传统可靠度分析方法的不足,并且满足工程精度要求。