[发明专利]一种考虑轴向力作用的大直径单桩水平振动分析方法

说明书

本发明一种考虑轴向力作用的大直径单桩水平振动分析方法，将大直径单桩简化为Timoshenko梁模型，提出一种同时考虑桩体剪切变形和桩周土体剪切效应的力学系统模型。此外，桩顶在水平荷载作用下同时考虑轴向力的影响，综合考虑两种荷载的作用能够适用于复杂多向荷载作用下的大直径单桩水平振动问题，能更好模拟实际工程中基桩在复杂荷载作用下的桩土耦合相互作用，可为桩基振动理论奠定基础；本发明在考虑桩顶复杂荷载作用的同时还考虑到桩身剪切变形、桩周土体剪切变形的影响，以及实际工程中桩基所涉及的受力变形影响因素，基于本发明所提出的模型能更好的为桩基在动荷载作用下的基桩变形以及内力变化规律提供理论指导及参考作用。

技术领域

本发明涉及土建领域，尤其涉及一种考虑轴向力作用的大直径单桩水平振动分析方法。

背景技术

随着我国桥梁工程、高层建筑的快速发展，桩基应用日益广泛，基桩在复杂多向荷载下的受力分析日趋重视。目前，在解决桩体水平振动动力响应问题时，为方便计算，桩周土体简化为Winkler模型。Winkler地基模型忽略了土的剪切效应，不能反映土体在纵向各层之间的连续性，使得计算结果在理论上不够严密。双参数地基模型在Winkler模型的基础上考虑了地基土体剪切效应，更加符合实际，此时采用Pasternak地基模型更为合适。对于细长杆件桩基模型采用经典Bernoulli-Euler理论，该理论模型只考虑桩体弯曲变形，而忽略了剪切变形的影响。而对于大直径桩，考虑桩身在轴向及水平力的作用下剪切变形对其动力响应的影响尤为重要，此时桩体采用Timoshenko梁模型更为合适。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中Winkler地基模型忽略了土的剪切效应，不能反映土体在纵向各层之间的连续性；Bernoulli-Euler理论模型只考虑桩体弯曲变形，而忽略了剪切变形的影响的缺陷，本发明提供一种考虑轴向力作用的大直径单桩水平振动分析方法。

本发明的技术方案如下：

一种考虑轴向力作用的大直径单桩水平振动分析方法，包括：

S1：引入如下假定条件，建立Pasternak分层地基轴向及水平力作用下大直径单桩水平振动分析模型：单桩桩体与桩周土的深度一致，均被纵向分为n层；所述假定条件包括：假定单桩桩体为圆形均质、等截面弹性体，采用Timoshenko梁模型；假定桩周土的每层土体均采用Pasternak地基模型；假定桩-土耦合振动模型满足小变形条件，桩土界面为完全接触且无相对滑动；假定桩底为固端约束；

S2：根据Timoshenko梁和Pasternak地基模型理论建立分层桩身单元的动力平衡方程，所述动力平衡方程对应的表达式为：

式中，分别为第j层段桩身质点的水平位移和截面转角；z为桩基沿深度的方向，p为代表桩的上标；A^p、G^p、E^p、I^p、m^p分别为桩体截面积、剪切模量、弹性模量、截面惯性矩和单位长度质量；t为时间；N₀为作用在桩顶的轴向力；K'为剪力形状系数；第j层土的厚度、刚度系数、阻尼系数和地基剪切系数分别为h_j、和B₀＝0.9(1.5d+0.5)为桩的计算宽度对于和按如下公式确定：

式中，为第j层土的剪切波速；和分别为第j层土的弹性模量、密度、阻尼系数及泊松比；为无量纲频率，ω为激振圆频率；为第j层地基土的剪切层厚度，取值为d为桩径；

稳态振动中桩顶受简谐振动，桩体水平位移和转角简化为：