[发明专利]一种刚架桩内力及位移设计计算方法

说明书

一种刚架桩内力及位移设计计算方法，按照结构计算位移方法将刚架桩结构按结点拆分为结点端头约束的多根杆件；各杆件作为模块进行分析，用数值方法计算杆件在特定地层力学参数、荷载作用条件下约束端产生单位位移时的杆端反力和杆件单元节点位移值，再根据结构分析的位移方法，以杆端位移为未知数，根据结构结点弯矩和剪力平衡条件计算杆端位移，将得到的位移与约束端产生单位位移时的杆件单元节点的位移值相乘并求代数和，得各杆件单元节点位移，将其代到杆件弯矩‑挠度差分表达式、剪力‑挠度差分表达式，计算结构内力。该设计计算方法具有很强的通用性；模块化的处理，使生成的刚架桩结构的刚度矩阵维数大大降低，提高了计算的效率。

技术领域

本发明属于抗滑结构技术领域，涉及一种刚架桩内力及位移设计计算方法。

背景技术

抗滑结构，包括刚架桩以及微型桩组合结构等，可利用基于弹性地基梁的地下刚架位移方法进行内力及变形分析，该方法简单实用，原理明确，可以较好的分析小变形条件下抗滑结构的内力和变形，在一定程度满足结构设计的需要。但是，该方法假定桩体上地基系数为固定值，按照抗滑结构的变形规律，一般顶部位移最大，导致结构顶部的地基反力最大，不尽合理。

采用弹性地基梁的m法或C法，假定地基系数随地层深度线性增加或按照幂指数变化，可以解决这个问题。基于弹性地基梁的m法和C法，则桩身的挠度方程为：

其中：y是桩身挠度；k为地基系数；m为地基系数沿地层深度的变化系数；c为地基系数沿地层深度变化的幂指数，𝒸=1，则为m法，地基系数沿桩深度成线性增加；c=1/2，为C法，地基系数随着桩深度按照分数指数变化；q(x)为作用于桩上的分布荷载。

但是，查找以上微分方程的解析解发现，该方程没有解析解，不能按照已有的地下刚架位移方法进行求解，需要寻找新的解决办法。

当然，可以采用有限差分法或杆件有限单元法对结构进行整体分析计算。对于普通抗滑桩，可以方便的采用数值方法进行分析；然而对于双排、三排及多排结构的刚架桩，如果采用差分法对整个结构进行分析，则由于要考虑诸如不同分布荷载、不同地层的地基系数以及地基系数的变化系数以及各段的长度不同等诸多情况，建立的模型将缺乏通用性或十分复杂。针对双排或三排及多排结构的刚架桩，如何进行求解，同时，又兼顾所建立模型的通用性和减少计算的复杂性，是建立该类组合抗滑结构设计计算方法的关键。。

发明内容

本发明的目的是提供一种承受水平荷载的双排、三排及多排刚架桩内力及位移设计计算方法，该方法概念清晰、简便实用。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种刚架桩内力及位移设计计算方法，按照结构计算的位移方法，将刚架桩结构按照结点拆分为结点端头约束的多根杆件；将各杆件作为模块进行分析，利用数值方法计算杆件在特定地层力学参数、荷载作用条件下，约束端产生单位位移时的杆端反力和杆件单元节点的位移值，然后根据结构分析的位移方法，以杆端位移为未知数，根据结构结点弯矩和剪力平衡条件，计算杆端位移，将得到的位移与约束端产生单位位移时的杆件单元节点的位移值相乘并求代数和，得到各杆件单元节点位移，再将其代到杆件弯矩-挠度的差分表达式、剪力-挠度的差分表达式，计算结构的内力。

本发明设计计算方法与采用有限差分法和有限单元法等数值方法对结构整体进行分析相比较，概念清晰而且方便实现，实现了模块化组合，降低计算的复杂性。

如采用有限差分法或有限单元法等数值方法对承受水平荷载的刚架桩进行分析计算，需要依顺序进行单元编号，然后进行微分方程离散化或选择单元拟合函数，以建立刚度矩阵，再结合边界条件进行位移等的计算。如果桩长或荷载、地基系数等条件发生变化，需要重新进行编号，并进行边界位置的换算，所以通用性差，比较复杂。