船撞作用下软岩单桩基础动力响应研究

论文摘要

船桥碰撞是一个包括船舶、桥梁、桥梁周围土体等共同影响的复杂动力响应过程，其中土-结构相互作用对碰撞影响很大。本文考虑了土-结构相互作用的影响，研究了船桥相撞时软岩条件下单桩的动力响应。制作船舶、单桩、桩周岩土体模型，进行船-桥碰撞模型试验；然后在现有的有限元分析成果基础上，细化船艏部分，建立更加符合实际的船舶、桥梁单桩基础和岩土体的有限元模型，并进行碰撞模拟，将有限元数值模拟结果和试验结果进行对比；最后分析船撞力的影响因素，拟合出最大船撞力计算公式。研究中考虑了船舶重量、船速、承台重量、竖向荷载、桩径、桩周岩土体、地面以上桩长、桩身弹模等参数变化对桩动力响应的影响。研究结果表明船速、承台重量、桩径、桩身弹模对最大桩顶位移、最大桩顶加速度和最大桩身应力均影响较大；船舶重量和地面以上桩长对最大桩顶加速度影响不大；桩周岩土体对最大桩身应力影响不大；竖向荷载则只对最大桩顶位移有一定影响。研究最大船撞力时，考虑土-结构相互作用的影响。分析结果表明，最大船撞力和船舶重量的开方、船速成正比关系，和桩径、土体剪切模量、地面以上桩长成指数函数关系。在明确了最大船撞力与上述参数之间的关系后，拟合出包含这5种参数的最大船撞力简化公式，并和AASHTO、欧洲规范、我国铁路桥涵设计规范等计算方法进行了比较。本文提出的简化公式的计算结果与欧洲规范（K=5）的计算结果最为接近。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 桥梁中桩基础的应用
• 1.2 船桥碰撞问题的研究意义
• 1.3 船桥碰撞问题研究现状
• 1.3.1 船撞桥动力反应分析理论研究现状
• 1.3.2 船撞时桩土相互作用动力反应的研究现状
• 1.3.3 船撞力研究现状
• 1.3.4 软岩嵌岩桩承载力研究现状
• 1.4 本文所做主要工作
• 第二章 船撞作用下单桩动力响应的模型试验
• 2.1 模型试验设计
• 2.1.1 模型试验的相似比设计
• 2.1.2 模型设计
• 2.1.3 实验设备
• 2.1.4 试验方案
• 2.1.5 试验步骤
• 2.1.6 数据处理
• 2.2 模型试验数据处理与分析
• 2.2.1 船舶重量对桩动力响应的影响
• 2.2.2 船速对桩动力响应的影响
• 2.2.3 上部荷载对桩动力响应的影响
• 2.2.4 桩径对桩动力响应影响
• 2.2.5 桩周土体对桩动力响应的影响
• 2.3 本章小结
• 第三章 船桥碰撞的数值模拟
• 3.1 ANSYS/LS-DYNA 程序介绍
• 3.2 材料的本构模型
• 3.2.1 船舶的材料模型
• 3.2.2 土体的本构模型
• 3.3 结构的单元类型
• 3.3.1 SHELL163 薄壳单元
• 3.3.2 SOLID164 实体单元
• 3.4 非线性有限元控制方程
• 3.5 显示积分的时间步长
• 3.6 接触与摩擦
• 3.6.1 ANSYS/LS-DYNA 接触算法
• 3.6.2 ANSYS/LS-DYNA 接触类型
• 3.7 计算中的沙漏控制
• 3.8 LS-DYNA 分析流程
• 3.9 本章小结
• 第四章 船撞作用下桩基动力响应的有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 建立有限元模型
• 4.2.1 船舶有限元模型
• 4.2.2 桥梁基础有限元模型
• 4.2.3 土体有限元模型
• 4.3 有限元结果分析
• 4.3.1 数据处理方法
• 4.3.2 上部载荷对桩动力响应的影响
• 4.3.3 桩周土体对桩动力响应的影响
• 4.3.4 桩径对桩动力响应的影响
• 4.3.5 船舶重量对桩动力响应的影响
• 4.3.6 船舶速度对桩动力响应的影响
• 4.3.7 桩地面以上长度对桩动力响应的影响
• 4.3.8 桩身弹模对桩动力响应的影响
• 4.4 模型试验与数值模拟结果对比
• 4.4.1 船舶重量影响的结果对比
• 4.4.2 船速影响的结果对比
• 4.4.3 上部荷载影响的结果对比
• 4.4.4 桩径影响的结果对比
• 4.4.5 土体影响的结果对比
• 4.5 本章小结
• 第五章 考虑土-结构相互作用的船撞力研究
• 5.1 船撞力计算公式
• 5.1.1 Woisin 公式
• 5.1.2 Pedersen 公式
• 5.1.3 欧洲规范公式
• 5.1.4 AASHTO 规范公式
• 5.1.5 我国《铁路桥涵设计规范》公式
• 5.1.6 我国《公路桥涵设计通用规范》
• 5.1.7 其他计算公式和计算方法
• 5.1.8 现有计算方法分析比较
• 5.2 船撞力影响因素分析
• 5.2.1 船舶重量对船撞力的影响
• 5.2.2 船速对船撞力的影响
• 5.2.3 桩径对船撞力的影响
• 5.2.4 桩周土体对船撞力的影响
• 5.2.5 地面以上桩长对船撞力的影响
• 5.2.6 上部荷载对船撞力的影响
• 5.2.7 桩身弹模对船撞力的影响
• 5.2.8 最大船撞力公式拟合及验证
• 5.2.9 各计算方法对比
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录