沖刷作用下鋼管樁動力特性研究.pdf

1、鋼管樁基礎(chǔ)廣泛應(yīng)用于跨海橋梁、港灣碼頭和海洋風電基礎(chǔ)設(shè)計中，在近岸、深海惡劣環(huán)境下，鋼管樁基礎(chǔ)承受較大的風、浪、流等水平動力荷載，其動力穩(wěn)定性是確保結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵;同時，波流荷載作用下，基礎(chǔ)周圍土體的沖刷對動力特性也會產(chǎn)生影響，沖刷對結(jié)構(gòu)的長期動力穩(wěn)定性提出了更高的要求，考慮不當會導(dǎo)致體系的動力破壞。因此，研究鋼管樁在沖刷作用下的動力特性具有重要的現(xiàn)實意義。
　　本文依托國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）資助項目(No.201

2、3CB036304)和交通運輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目(No.2013319759060)，以江蘇濱海北區(qū)H1＃100MW海上風電場為工程背景，采用理論分析、模型試驗和數(shù)值模擬等研究手段，開展了波流作用下、不同沖刷深度下鋼管樁基礎(chǔ)的動力特性變化規(guī)律及動力響應(yīng)的研究，主要內(nèi)容和成果如下:
　　介紹了沖刷計算的兩大相關(guān)理論:沖刷理論和波浪理論。在相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合濱海北區(qū)H1＃海上風電場項目的相關(guān)水文、地質(zhì)資料，利用MATLAB計算、比

3、較了極端工況下的波浪荷載和局部沖刷深度區(qū)間，選取了方便有效的Airy波理論計算鋼管樁所承受的波浪力。
　　結(jié)合樁基礎(chǔ)振動反應(yīng)方程，在傳統(tǒng)土體水平抗力的p-y曲線上，提出了一種考慮局部沖刷坑尺寸效應(yīng)的修正p-y曲線，能較好的模擬沖刷后楔形土體的水平抗力，基于等效沖刷深度概念，提出了沖坑存在下的樁基動力響應(yīng)的簡化分析方法，建立頻率計算數(shù)值模型，擬合了愛爾蘭都柏林市的鋼管樁動力原位測試，結(jié)果表明:(1)修正p-y曲線的等效沖刷深度計算法

4、方便、有效;(2)將土體沖刷模擬為土體彈簧的缺失、總體剛度矩陣的減小方法可行。
　　圍繞沖刷作用、動力特性，設(shè)計了兩種鋼管樁基礎(chǔ)模型試驗:波浪水槽模型試驗和鋼管樁動力特性模型試驗。波浪水槽試驗考慮了三種沖刷條件:無沖刷、15cm沖刷和30cm沖刷，考慮了三種水深條件:25cm水深、35cm水深和45cm水深，利用ABAQUS有限元軟件進行等比例模擬，結(jié)果表明:隨著沖刷深度的增加，鋼管樁模擬頻率逐漸降低，分別為3.74HZ、2.5H

5、Z和1.8HZ，略高于實側(cè)基頻值3.26HZ，1.95HZ和1.17HZ，樁頂最大加速度和樁頂最大位移增加;水深增加時，波浪力增加，動力響應(yīng)增強，但增加幅度不大;采用等效沖刷深度計算，結(jié)構(gòu)響應(yīng)值介于整體沖刷和局部沖刷之間，更貼合實際工況。
　　動力特性試驗主要研究了鋼管樁基礎(chǔ)在強迫振動下的動力參數(shù)，現(xiàn)場水平振動考慮三種沖刷深度:0.5D、1D和1.5D。振動結(jié)果表明:無沖刷下，水平振動第一振型共振頻率為14.5HZ，豎向振動第一振

6、型共振頻率為29HZ，數(shù)值為水平振動基頻的兩倍;隨著沖刷深度的增加，鋼管樁抗剪剛度、抗剪剛度系數(shù)和阻尼比均有所降低，且淺層土相比深層土對于水平剛度的貢獻率更大。
　　利用ABAQUS建立海洋風機全模型，給出了動力控制設(shè)計相關(guān)理論，采用Tempel簡化公式及Block Lanzcos法對整機系統(tǒng)進行模態(tài)分析，最后進行整體沖刷、等效整體沖刷下波浪荷載作用下的動力響應(yīng)，分析結(jié)果表明，沖刷深度增加，體系的自振頻率降低，設(shè)計中需注意實際沖刷