沖刷作用下鋼管樁動(dòng)力特性研究.pdf

1、鋼管樁基礎(chǔ)廣泛應(yīng)用于跨海橋梁、港灣碼頭和海洋風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，在近岸、深海惡劣環(huán)境下，鋼管樁基礎(chǔ)承受較大的風(fēng)、浪、流等水平動(dòng)力荷載，其動(dòng)力穩(wěn)定性是確保結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵;同時(shí)，波流荷載作用下，基礎(chǔ)周圍土體的沖刷對(duì)動(dòng)力特性也會(huì)產(chǎn)生影響，沖刷對(duì)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期動(dòng)力穩(wěn)定性提出了更高的要求，考慮不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致體系的動(dòng)力破壞。因此，研究鋼管樁在沖刷作用下的動(dòng)力特性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文依托國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）資助項(xiàng)目(No.201

2、3CB036304)和交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(No.2013319759060)，以江蘇濱海北區(qū)H1＃100MW海上風(fēng)電場(chǎng)為工程背景，采用理論分析、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等研究手段，開展了波流作用下、不同沖刷深度下鋼管樁基礎(chǔ)的動(dòng)力特性變化規(guī)律及動(dòng)力響應(yīng)的研究，主要內(nèi)容和成果如下:
　　介紹了沖刷計(jì)算的兩大相關(guān)理論:沖刷理論和波浪理論。在相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合濱海北區(qū)H1＃海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目的相關(guān)水文、地質(zhì)資料，利用MATLAB計(jì)算、比

3、較了極端工況下的波浪荷載和局部沖刷深度區(qū)間，選取了方便有效的Airy波理論計(jì)算鋼管樁所承受的波浪力。
　　結(jié)合樁基礎(chǔ)振動(dòng)反應(yīng)方程，在傳統(tǒng)土體水平抗力的p-y曲線上，提出了一種考慮局部沖刷坑尺寸效應(yīng)的修正p-y曲線，能較好的模擬沖刷后楔形土體的水平抗力，基于等效沖刷深度概念，提出了沖坑存在下的樁基動(dòng)力響應(yīng)的簡(jiǎn)化分析方法，建立頻率計(jì)算數(shù)值模型，擬合了愛爾蘭都柏林市的鋼管樁動(dòng)力原位測(cè)試，結(jié)果表明:(1)修正p-y曲線的等效沖刷深度計(jì)算法

4、方便、有效;(2)將土體沖刷模擬為土體彈簧的缺失、總體剛度矩陣的減小方法可行。
　　圍繞沖刷作用、動(dòng)力特性，設(shè)計(jì)了兩種鋼管樁基礎(chǔ)模型試驗(yàn):波浪水槽模型試驗(yàn)和鋼管樁動(dòng)力特性模型試驗(yàn)。波浪水槽試驗(yàn)考慮了三種沖刷條件:無沖刷、15cm沖刷和30cm沖刷，考慮了三種水深條件:25cm水深、35cm水深和45cm水深，利用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行等比例模擬，結(jié)果表明:隨著沖刷深度的增加，鋼管樁模擬頻率逐漸降低，分別為3.74HZ、2.5H

5、Z和1.8HZ，略高于實(shí)側(cè)基頻值3.26HZ，1.95HZ和1.17HZ，樁頂最大加速度和樁頂最大位移增加;水深增加時(shí)，波浪力增加，動(dòng)力響應(yīng)增強(qiáng)，但增加幅度不大;采用等效沖刷深度計(jì)算，結(jié)構(gòu)響應(yīng)值介于整體沖刷和局部沖刷之間，更貼合實(shí)際工況。
　　動(dòng)力特性試驗(yàn)主要研究了鋼管樁基礎(chǔ)在強(qiáng)迫振動(dòng)下的動(dòng)力參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)水平振動(dòng)考慮三種沖刷深度:0.5D、1D和1.5D。振動(dòng)結(jié)果表明:無沖刷下，水平振動(dòng)第一振型共振頻率為14.5HZ，豎向振動(dòng)第一振

6、型共振頻率為29HZ，數(shù)值為水平振動(dòng)基頻的兩倍;隨著沖刷深度的增加，鋼管樁抗剪剛度、抗剪剛度系數(shù)和阻尼比均有所降低，且淺層土相比深層土對(duì)于水平剛度的貢獻(xiàn)率更大。
　　利用ABAQUS建立海洋風(fēng)機(jī)全模型，給出了動(dòng)力控制設(shè)計(jì)相關(guān)理論，采用Tempel簡(jiǎn)化公式及Block Lanzcos法對(duì)整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，最后進(jìn)行整體沖刷、等效整體沖刷下波浪荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，分析結(jié)果表明，沖刷深度增加，體系的自振頻率降低，設(shè)計(jì)中需注意實(shí)際沖刷