附加多层有限刚度梁的新型桩基基础的竖向承载力计算方法技术

本发明专利技术公开了一种附加多层有限刚度梁的新型桩基基础的竖向承载力计算方法，包括：1获得桩周土与位移之间的非线性关系，建立桩身荷载传递函数；2将桩体离散化为无有限刚度梁段节点和含有限刚度梁段节点；3在竖向荷载作用下，建立无有限刚度梁时圆形桩基础发生竖向位移时的位移微分方程，获得无有限刚度梁段相邻节点间应力、应变的传递矩阵；4假定某一节点为含有限刚度梁的节点，将有限刚度梁上的土反力作为附加节点力叠加到该节点上，获得含有限刚度梁段相邻节点间应力、应变的传递矩阵；5根据各个微段的传递矩阵建立整个桩基基础的荷载

【技术实现步骤摘要】
附加多层有限刚度梁的新型桩基基础的竖向承载力计算方法


[0001]本专利技术属于桩基基础结构领域，尤其涉及一种附加有限刚度梁的新型桩基基础的竖向承载力的理论计算方法，主要在于应用桩基基础的工程领域，包括桥梁工程、建筑工程及水利工程等。

技术介绍

[0002]近年来我国统筹推进交通强国战略，构建以高铁、公路、长江水道为主的多层次综合交通网络，促进了跨江跨海大桥工程快速建设。大跨度桥梁多处于江河漫滩地区，覆盖层深厚，在重载荷下传统桩基础的承载效能随着桩长增加会大幅度降低，并且大跨度桥梁重荷载导致基础材料用量巨大，如马鞍山公铁大桥仅主桥上部荷载达120万吨，下部基础材料耗费60万吨，交通发展与资源节约矛盾激化已成为可持续发展的瓶颈。
[0003]传统桩基难以充分发挥桩
‑
土共同作用，材料利用率低，不符合资源节约、环境友好型社会发展的需求。在重荷载条件下，传统的桩基不仅耗费大量的资源，甚至无法实施。为了节约资源，亟待开展大型桥梁新型基础形式。
[0004]一种附加有限刚度梁的新型桩基基础是一种新型桩基结构型式，新型桩基基础的竖向承载力计算式桩基础设计的关键。基于仿生学原理，它是在传统桩基结构上横向“嫁接”预制钢筋混凝土有限刚度梁，有限刚度梁可将荷载有效的传递到土体，由此提高基础的稳定性和承载力。这种附加有限刚度梁的新型桩基基础形式分为附加有限刚度梁的桩基基础、附加有限刚度梁的管桩基础和附加有限刚度梁的沉井基础。桩基施工时，在预制的钢筋笼上预留孔洞，钢筋笼下放后使用专门的设备将预制好的有限刚度梁顶入土体中，最后浇筑桩身混凝土，完成桩基基础的施工。
[0005]关于传统桩基竖向承载力的计算方法已经趋于成熟，但附加有限刚度梁的桩基基础作为一种新型基础结构型式，目前尚未形成完善的竖向承载力理论计算方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种附加多层有限刚度梁的新型桩基基础的竖向承载力计算方法，以期通过建立多向荷载下根式基础的力学模型，有助于分析附加有限刚度梁的新型桩基基础的承载和变形规律，从而为桩基基础竖向承载力提供理论基础，以推广该桩基基础的运用。
[0007]本专利技术为达到上述专利技术目的，采用如下技术方案：
[0008]本专利技术一种附加多层有限刚度梁的新型桩基基础的竖向承载力计算方法的特点在于，包括以下步骤：
[0009]步骤1、获得新型桩基基础和土体的参数，所述新型桩基基础的参数包括：桩长L、外直径D1、桩深x、内直径D2、弹性模量E；每层的单个有限刚度梁的长度l、宽度b、厚度h、刚度k
r
；所述土体的参数包括：两个实验常数A和K，土体的侧压力系数K0；
[0010]通过实验获得有限刚度梁重叠效应的折减系数α0；
[0011]步骤2、将新型桩基基础进行离散化处理，得到若干个桩身节点；
[0012]步骤3、将非线性函数关系式转换为线性分段函数式；
[0013]步骤3.1、利用式(1)构建新型桩基基础与土体接触面上的切向反力τ(u)与桩身节点的位移u的非线性函数关系式：
[0014][0015]式(1)中，τ
s
表示新型桩基基础与土体接触面上的侧摩阻力；
[0016]步骤3.2、利用式(2)构建新型桩基基础与土体接触面上的切向反力τ(u)和法向反力σ(u)分别与桩身节点的位移u的线性分段函数式：
[0017][0018]式(2)中，k
s
为新型桩基基础与土体的接触面上的切向刚度，k
n
为新型桩基基础与土体的接触面上的法向刚度，τ
b
为初始切向反力，σ
b
为初始法向反力，并有：
[0019][0020][0021]式(3)和式(4)中，A
τ
为第一分项系数，B
τ
为第二分项系数，A
σ
为第三分项系数，B
σ
为第四分项系数；
[0022]步骤4、将若干个桩身节点分为不含有限刚度梁的节点和含有限刚度梁的节点；
[0023]步骤5、利用式(5)建立新型桩基基础位移的微分方程并进行求解，从而利用式(6)获得在竖向荷载作用下，所有桩身节点发生的沉降z：
[0024][0025][0026]式(6)中，C1，C2，λ1为三个待定的常数；
[0027]根据所述沉降z，利用式(7)获得不含有限刚度梁的相邻节点的传递矩阵形式：
[0028][0029]式(7)中，u
j
表示不含有限刚度梁的节点j的竖向位移，N
j
表示不含有限刚度梁的节点j的轴向应力，A
ij
表示不含有限刚度梁的节点i和不含有限刚度梁的节点j之间的传递矩阵的第一矩阵因子，B
ij
表示不含有限刚度梁的节点i和不含有限刚度梁的节点j之间的传递
矩阵的第二矩阵因子，C
ij
表示不含有限刚度梁的节点i和不含有限刚度梁的节点j之间的传递矩阵的第三矩阵因子，D
ij
表示不含有限刚度梁的节点i和不含有限刚度梁的节点j之间的传递矩阵的第四矩阵因子,E
ij
表示不含有限刚度梁的节点i和不含有限刚度梁的节点j之间的余项矩阵的第一矩阵因子，N
ij
表示不含有限刚度梁的节点i和不含有限刚度梁的节点j之间的余项矩阵的第二矩阵因子，u
i
表示不含有限刚度梁节点i的竖向位移，N
i
表示不含有限刚度梁节点i的轴向应力，并有：
[0030][0031][0032][0033][0034][0035]Δx
ij
＝x
j
‑
x
i (13)
[0036]式(8)
‑
式(13)中，Δx
ij
表示不含有限刚度梁节点i和不含有限刚度梁节点j之间的距离，x
j
表示不含有限刚度梁节点j在x方向上的深度，x
i
表示不含有限刚度梁的节点i在x方向上的深度；
[0037]步骤6、利用式(14)计算获得每层上的所有有限刚度梁的总反力F
R
；
[0038]F
R
＝α0n(k
n
bl+2K0k
s
lh)z (14)
[0039]式(14)中，n表示单层上的有限刚度梁的个数；
[0040]步骤7、将总反力F
R
作为附加节点力叠加到含有限刚度梁的节点k上，并带入式(5)中进行求解，从而利用式(15)得到含有限刚度梁节点k的传递关系式；
[0041][0042]式(15)中，u
l
表示含有限刚度梁节点l的竖向位移，N
l
表示含有限刚度梁节点l的轴向应力，A
kl
表示含有限刚度梁节点k和含有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种附加多层有限刚度梁的新型桩基基础的竖向承载力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、获得新型桩基基础和土体的参数，所述新型桩基基础的参数包括：桩长L、外直径D1、桩深x、内直径D2、弹性模量E；每层的单个有限刚度梁的长度l、宽度b、厚度h、刚度k
r
；所述土体的参数包括：两个实验常数A和K，土体的侧压力系数K0；通过实验获得有限刚度梁重叠效应的折减系数α0；步骤2、将新型桩基基础进行离散化处理，得到若干个桩身节点；步骤3、将非线性函数关系式转换为线性分段函数式；步骤3.1、利用式(1)构建新型桩基基础与土体接触面上的切向反力τ(u)与桩身节点的位移u的非线性函数关系式：式(1)中，τ
s
表示新型桩基基础与土体接触面上的侧摩阻力；步骤3.2、利用式(2)构建新型桩基基础与土体接触面上的切向反力τ(u)和法向反力σ(u)分别与桩身节点的位移u的线性分段函数式：式(2)中，k
s
为新型桩基基础与土体的接触面上的切向刚度，k
n
为新型桩基基础与土体的接触面上的法向刚度，τ
b
为初始切向反力，σ
b
为初始法向反力，并有：为初始法向反力，并有：式(3)和式(4)中，A
τ
为第一分项系数，B
τ
为第二分项系数，A
σ
为第三分项系数，B
σ
为第四分项系数；步骤4、将若干个桩身节点分为不含有限刚度梁的节点和含有限刚度梁的节点；步骤5、利用式(5)建立新型桩基基础位移的微分方程并进行求解，从而利用式(6)获得在竖向荷载作用下，所有桩身节点发生的沉降z：在竖向荷载作用下，所有桩身节点发生的沉降z：式(6)中，C1，C2，λ1为三个待定的常数；
根据所述沉降z，利用式(7)获得不含有限刚度梁的相邻节点的传递矩阵形式：式(7)中，u
j
表示不含有限刚度梁的节点j的竖向位移，N
j
表示不含有限刚度梁的节点j的轴向应力，A
ij
表示不含有限刚度梁的节点i和不含有限刚度梁的节点j之间的传递矩阵的第一矩阵因子，B
ij
表示不含有限刚度梁的节点i和不含有限刚度梁的节点j之间的传递矩阵的第二矩阵因子，C
ij
表示不含有限刚度梁的节点i和不含有限刚度梁的节点j之间的传递矩阵的第三矩阵因子，D
ij
表示不含有限刚度梁的节点i和不含有限刚度梁的节点j之间的传递矩阵的第四矩阵因子,E
ij
表示不含有限刚度梁的节点i和不含有限刚度梁的节点j之间的余项矩阵的第一矩阵因子，N
ij
表示不含有限刚度梁的节点i和不含有限刚度梁的节点j之间的余项矩阵的第二矩阵因子，u
i
表示不含有限刚度梁节点i的竖向位移，N
i
表示不含有限刚度梁节点i的轴向应力，并有：梁节点i的轴向应力，并有：梁节点i的轴向应力，并有：梁节点i的轴向应力，并有：梁节点i的轴向应力，并有：Δx
ij
＝x
j
‑
x
i (13)式(8)
‑
式(13)中，Δx
ij
表示不含有限刚度梁节点i和不含有限刚度梁节点j之间的距离，x
j
表示不含有限刚度梁节点j在x方向上的深度，x
i
表示不含有限刚度梁的节点i在x方向上的深度；步骤6、利用式(14)计算获得每层上的所有有限刚度梁的总反力F
R
；F
R
＝α0n(k
n
bl+2K0k
s
lh)z (14)式(14)中，n表示单层上的有限刚度梁的个数；步骤7、将总反力F
R
作为附加节点力叠加到含有限刚度梁的节点k上，并带入式(5)中进行求解，从而利用式(15)得到含有限刚度梁节点k的传递关系式；式(15)中，u
l
表示含有限刚度梁节点l的竖向位移，N
l
表示含有限刚度梁节点l的轴向应力，A
kl
表示含有限刚度梁...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷永高，陈仁义，李剑鸾，周正明，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：