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国内外桩基非线性力学行为研究现状浅析


□ 郑 敏 谌 文

  摘要:通过阐述国内外对桩在动荷载作用下的非线性特性研究现状,说明在这个领域还有很多问题值得我们去研究。
  关键词:桩基;非线性;动荷载
  中图分类号:TU473.1 文献标识码:A
  
  1 引言
  
  桩基础是建筑物的一种重要的基础结构形式,其应用已有数百年的历史,仅就我国而言,据不完全统计,平均每年用桩量至少有百万根以上,费用约占工程总造价的25%。例如宝钢的第一、二期工程的桩基造价达10亿元以上。在高层建筑、重型厂房、桥梁、海上平台、水利设施和核电站等工程中都广泛地采用桩基础。在近海工程与海港工程中大量采用的桩基结构物在恶劣海况的强烈动载作用下会进入非线性状态并危及结构物的安全。因此,有必要对在动荷载作用下桩的非线性特性给予高度的重视,并深入开展这方面的研究。
  
  2 国内外对桩在动荷载作用下的非线性特性研究现状
  
  长期以来,人们主要靠定性分析、简化的数值分析和经验方法来解决实际问题。由于分析计算的精度很低,不得不通过大量的现场或施工摸索来逐步修正,以获得正确的设计方案和施工方法,实际花费的代价非常之大,至今仍有许多实际问题未得到解决[1-2]。
  国内外迅速发展起来的有限元方法和近年来迅速推广应用的有限元应用软件,可实现各类工程结构的应力场、应变场、温度场以及动力响应分析的定量计算,对施工中碰到的实际问题,可利用计算机进行模拟和优化,从而大大缩短了设计周期,提高了工程结构的稳定性和安全性,并对桩基在临界工作条件下桩和结构之间的相互作用有了一定的了解[3]。有限元方法在模拟承台-桩-土相互作用方面有独到之处,但仍存在不足,主要原因是网格的存在妨碍了处理与原始网格不一致的材料、几何大变形和边界移动等,特别是处理动力学问题时往往造成网格重构,不仅费时、费资金,而且会使计算精度受限,甚至会得出错误的结果。桩基的静力分析的理论体系和方法已有较丰富的结果,但桩基动力学的研究发展相对而言显得不足[4]。
  1987年Mizuno[5]综述了日本地震过程中的桩基破坏形式,例如振动效应,液化及运动等,在其它地区的地震记录中这些破坏形式也都能观察到。因此需要对桩基进行详细的动力学分析,以提供桩基设计的更适当的理论基础。关于桩基动力学行为的研究已有一些工作,其中上世纪九十年代前的主要工作被系统总结在Novak[2]的综述报告中,并给出了约150余篇参考文献,系统介绍了单桩和群桩在地震载荷作用下线性和非线性动力学的一些理论、计算方法以及一些定性的结论,并比较了各种理论的优缺点,考察了桩-桩,土-桩-承台,土-桩-结构,土的液化等影响。描述非线性岩土阻抗-挠度的模型己受到人们关注,1986年美国石油研究所详述了粘土和砂土的P-Y曲线,并指出了静态和循环加载的区别[6]。以后人们对P-Y曲线和桩的非线性响应之间关系进行了较深入的研究。 ......
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摘自:中南论坛
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