层状海床土中海洋大直径管桩水平动力响应解析方法技术

本发明专利技术公开了一种层状海床土中海洋大直径管桩水平动力响应解析方法，包括：获得管桩、海水和土体的基本力学参数；建立层状海床土中海洋大直径管桩水平动力响应理论模型；基于模型对桩周海水动水压力、桩芯海水动水压力、桩周土体抗力和桩芯土体抗力进行求解；基于求解结果得到管桩桩顶水平位移表达式；根据管桩桩顶水平位移表达式得到层状海床土中海洋大直径管桩的桩顶水平动力响应表达式；输入不同参数的数值来绘制水平动力响应随频率的变化图；根据变化图来分析在谐和激振水平动荷载作用下不同参数的数值对桩顶水平动力响应的具体影响。本发明专利技术可快速计算不同参数的数值对水平动力响应的具体影响程度。动力响应的具体影响程度。动力响应的具体影响程度。

【技术实现步骤摘要】
层状海床土中海洋大直径管桩水平动力响应解析方法


[0001]本专利技术涉及海洋桩基设计
，尤其涉及一种层状海床土中海洋大直径管桩水平动力响应解析方法。

技术介绍

[0002]随着海洋资源开发产业的迅速发展，海洋大直径管桩由于其高承载能力和低经济成本等优点在例如海上风力涡轮机、跨海桥梁等海洋工程中获得了广泛的应用。海洋桩基不可避免的需要承受风荷载、波浪荷载、地震作用等水平动荷载，为避免桩基或海上结构物的固有频率接近这些水平动荷载的激励频率发生共振导致海上构筑物无法有效工作。评估海洋管桩的水平动力响应不仅需要考虑管桩与桩周土体、海水之间的相互作用，还需要考虑内部土体、海水的影响。并且海床土由于其物理力学性质沿深度的较大差异性与单一的均质土层存在明显差异。这些因素都使得评估海洋管桩水平动力响应机制更加复杂。
[0003]目前评估海洋大直径管桩的水平动力响应的方法大多是通过工程实验和建立有限元模型。工程实验不仅成本高昂，分析参数对水平动力响应的周期也较长。而对于有限元模型，由于动态波传播的数值模型需要对密集网格进行离散化，计算量大，无法快本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种层状海床土中海洋大直径管桩水平动力响应解析方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、获得管桩、海水和土体的基本力学参数；步骤2、建立层状海床土中海洋大直径管桩水平动力响应理论模型；步骤3、基于所述层状海床土中海洋大直径管桩水平动力响应理论模型对桩周海水动水压力、桩芯海水动水压力、桩周土体抗力和桩芯土体抗力进行求解；步骤4、将得出的求解结果带入海洋管桩控制方程得到管桩桩顶水平位移表达式；步骤5、根据管桩桩顶水平位移表达式得到层状海床土中海洋大直径管桩的桩顶水平动力响应表达式；步骤6、根据海洋大直径管桩桩顶水平动力响应表达式，输入不同的管桩、海水和土体的基本力学参数的数值来绘制水平动力响应随频率的变化图；步骤7、根据所述变化图来分析在谐和激振水平动荷载作用下不同参数的数值对桩顶水平动力响应的具体影响。2.如权利要求1所述的层状海床土中海洋大直径管桩水平动力响应解析方法，其特征在于，所述步骤1具体为：通过对施工现场勘探、测试与分析，获得管桩、海水和土体的基本力学参数；所述管桩的基本力学参数包括：管桩长度、管桩外半径、管桩内半径、桩身弹性模量和桩身材料密度；所述海水的基本力学参数包括：海水厚度、海水密度和水中的声速；所述土体的基本力学参数包括：各层土体厚度、各层土体弹性模量、各层土体剪切模量、各层土体密度、各层土体泊松比和各层土体阻尼比。3.如权利要求1所述的层状海床土中海洋大直径管桩水平动力响应解析方法，其特征在于，所述步骤3中基于所述层状海床土中海洋大直径管桩水平动力响应理论模型对桩周海水动水压力和桩芯海水动水压力进行求解；具体包括：步骤31A、基于所述层状海床土中海洋大直径管桩水平动力响应理论模型，建立海水控制方程：式中：p
j
为海水动水压力；k
w
＝ω/c
w
为波数；c
w
为水中的声速；ω表示圆频率，ω＝2πf，f是频率，r表示沿着半径的方向；θ表示角度；z表示沿深度方向；j＝1或2，其中当j＝1时，上述方程和参数对应于桩周海水，当j＝2时，上述方程和参数对应于管桩内壁桩芯海水；步骤32A、基于所述层状海床土中海洋大直径管桩水平动力响应理论模型，将公式(1)经过推导，给出桩周海水作用于单位长度桩身的动水压力表达式为:
式中：f
w1
为桩周海水作用于单位长度桩身的动水压力；r1为管桩外半径；A
w1n
是通过满足桩
‑
水连续条件来确定的常数；K1表示第一类1阶修正贝塞尔函数；h
n
表示用于分离变量推导的参数，υ
n
表示用于分离变量推导的参数；其中k
w
表示波数，k
w
＝ω/c
w
，其中，c
w
为水中的声速；H1表示海水层的高度；步骤33A、基于所述层状海床土中海洋大直径管桩水平动力响应理论模型，将公式(1)经过推导，给出桩芯海水作用于单位长度桩身的动水压力表达式为:式中：f
w2
为桩芯海水作用于单位长度桩身的动水压力；r2为管桩内半径；A
w2n
是通过满足桩
‑
水连续条件来确定的常数；I1表示第二类1阶修正贝塞尔函数。4.如权利要求3所述的层状海床土中海洋大直径管桩水平动力响应解析方法，其特征在于，所述步骤3中基于所述层状海床土中海洋大直径管桩水平动力响应理论模型对桩周土体抗力和桩芯土体抗力进行求解；具体包括：步骤31B、基于所述层状海床土中海洋大直径管桩水平动力响应理论模型，建立土体控制方程：制方程：式中：为拉普拉斯算子；u
rjk
(r,θ,z)为第k层土体径向位移；u
θjk
(r,θ,z)为第k层土体切向位移；为第k层土体的体积应变；
和分别为第k层土体的一阶和二阶复拉梅常数，其中G
k
为第k层土体剪切模量；λ
k
为第k层土体的拉梅常数；β
sk
为第k层的土体阻尼比；ρ
sk
为第k层土体密度；j＝1或2，其中当j＝1时，上述方程和参数对应于桩周土，当j＝2时，上述方程和参数对应于管桩内壁桩芯土；步骤32B、基于所述层状海床土中海洋大直径管桩水平动力响应理论模型，将公式(4)和(5)经过推导，给出第k层桩周土体抗力表达式为:式中：f
s1k
为第k层桩周土体作用于单位长度桩身的土体抗力；u
psk
为第k段管桩的水平位移；计算变量的具体表达式为：其中：其中：K0表示第一类0阶修正贝塞尔函数，K2表示第一类2阶修正贝塞尔函数。步骤33B、基于所述层状海床土中海洋大直径管桩水平动力响应理论模型，将公式(4)和(5)经过推导，给出第k层桩芯土体抗力表达式为:式中：f
s2k
为第k层桩芯土体作用于单位长度桩身的土体抗力；计算变量的具体表达式为：其中：I0表示第二类0阶修正贝塞尔函数，I2表示第二类2阶修正贝塞尔函数。5.如权利要求4所述的层状海床土中海洋大直径管桩水平动力响应解析方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：步骤41、基于所述层状海床土中海洋大直径管桩水平动力响应理论模型，建立管桩控制方程：
式中：u
pa
为海面之上的管桩水平位移；u
pw
为埋入海水段的管桩水平位移；为管桩复弹性模量；其中：E
p
为管桩弹性模量；β
p
为桩身材料阻尼比；I
p
为管桩截面惯性矩；A
p
为管桩截面面积；ρ
p
为桩身材料密度；H0表示海面之上的桩长；H1表示埋入海水的桩长；H2表示埋入土体段的桩长；步骤42、将获得的桩周海水动水压力、桩芯海水动水压力、桩周土体抗力和桩芯土体抗力代入式(8)，得到管桩水平位移的通解表示为：式中：式中：N
a1
、N
a2
、N
a3
、N
a4
、N
w1
、N
w2
、N
w3
、N
w4
、N
s1k
、N
s2k
、N
s3k
和N
s4k
是通过满足桩身连续条件和桩
‑
水连
续条件以及桩身边界条件来...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑长杰，林浩，罗通，林文彬，许万强，罗承浩，
申请(专利权)人：福建工程学院，
类型：发明
国别省市：