循环荷载下钢管混凝土嵌岩桩水平承载力计算方法

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钢管混凝土嵌岩桩作为深基础的一种类型,被广泛应用于港口码头、跨江桥梁、高速铁路等基础设施建设中。目前,对于钢管混凝土嵌岩桩承载力的计算主要通过将钢管强度折算为混凝土强度来简化计算,但这种方法忽略了钢管在受力过程中与桩身和桩侧岩体的相互作用。另外,目前的计算方法主要考虑静载工况,而研究循环荷载下的较为鲜见。本文基于国家自然科学基金课题“循环荷载下钢管混凝土嵌岩桩钢-砼界面强度弱化机理及长期工作性状研究”,通过建立循环荷载下钢管混凝土嵌岩桩的数值模型研究其破坏模式,在此基础上提出考虑钢管与桩身和桩侧岩体相互作用的钢管混凝土嵌岩桩水平承载力计算方法。本文的主要研究工作及取得的成果如下:(1)基于钢-砼界面循环剪切试验获得的界面滑移应力-应变曲线,采用非线性弹簧单元模拟界面滑移过程,建立了考虑钢-砼界面滑移的有限元数值计算模型,计算结果与剪切试验结果基本一致,表明了有限元模拟方法的可靠性。(2)考虑循环荷载作用下钢管与混凝土界面强度弱化,建立了钢管混凝土嵌岩桩数值模型。通过对桩身应力应变、钢砼界面滑移过程的分析表明:随着桩顶水平荷载的增加桩身混凝土最大拉应力区域由地基表面附近向上下两侧扩展,由于钢-砼界面的滑移作用,钢管最大拉应力出现在地基表面以上约一倍桩径位置;随着循环次数的增大,桩身同一位置处的滑移值增大,最大滑移值出现在受拉侧变截面处。(3)建立了考虑不同工况下钢管混凝土嵌岩桩的数值计算模型,分析了循环次数、钢管嵌岩深度、地基强度对钢管混凝土嵌岩桩基础破坏模式的影响,计算结果表明:钢管混凝土嵌岩桩的破坏位置出现在变截面处附近;循环作用下地基表面处钢-砼界面弱化明显,地基对桩基的嵌固作用减弱,从而降低水平承载力;随着钢管嵌岩深度增加,破坏位置从变截面处向地基表面移动;地基强度的弱化使桩周岩体更易产生塑性区,从而降低地基对桩身的约束,最终导致了结构的水平承载力降低。(4)根据钢管混凝土嵌岩桩变截面处破坏模式,假设桩身在变截面处完全嵌固,结合弹性力学及材料力学相关理论,推导了钢管混凝土嵌岩桩的水平承载力计算公式。当考虑循环荷载时,引入抗弯刚度弱化系数来模拟循环次数对结构破坏的影响。计算方法可为内河码头钢管混凝土嵌岩桩设计计算提供参考。
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