（岩土工程专业论文）船舶撞击下高桩大变形性状及柔性护墩桩式防撞系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文船舶撞击下高桩大变形性状及柔性护墩桩式防撞系统研究 船舶撞击下高桩大变形性状及柔性护墩桩式防撞系统研究 摘要 随着全球经济的快速发展，越来越多的水中结构如桥墩、水中输电塔、钻井 平台等出现在世界各地，通航船舶对这些水中结构的撞击将严重影响其安全服役， 因此研究水中结构的防船舶撞击问题具有较大的工程意义。长期以来，对于防撞 问题，大量学者都致力于基于撞击力控制的结构防撞设计方法研究，然而，柔性 高桩结构在水平撞击力作用下将发生较大的变形，撞击过程中主要靠自身的水平 变形吸收撞击能量，此时传统的撞击力控制防撞设计方法已不再适用，需深入研 究高桩的水平大变形性状并在此基础上探索新的工程防撞设计方法。 基于规范“m ”法和p - y 曲线法，开发了静动力水平荷载作用下桩基变形分析 的有限差分程序。开展了高桩基础的水平大变形大比例模型试验，获得了桩基水 平大变形情况下的桩身变形及弯矩，建立了水平大变形情况下桩身位移、桩身弯 矩、及桩周土反力之间的互推关系，在此基础上提出了合理的双曲线型p - y 曲线。 不同加载高度的试验表明高桩悬臂长度对桩身位移及弯矩有较大影响，结合所开 发的计算程序分析发现桩身位移与高桩悬臂长度比近似呈双折线关系，而桩身最 大弯矩则与悬臂长度比近似呈线性关系。 基于动力沙y 曲线法，建立了运动船舶撞击高桩结构的动力学分析模型，揭 示了撞击过程中的能量传递规律及高桩结构的变形机理，发现撞击能量主要通过 桩基水平大变形承担且给出了撞击能量与桩身弯矩的相关性。在此基础上提出了 高桩结构基于能量控制的防撞设计方法，设计了新型柔性护墩桩式防撞系统，并 应用于重大工程。 关键词：高桩；大变形；静力p - y 曲线法；动力p - y 曲线法；有限差分法；船舶； 撞击；能量控制；拟静力法；防撞系统 浙江大学硕士学位论文 船舶撞击下高桩大变形性状及柔性护墩桩式防撞系统研究 s t u d yo nl a r g ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fe l e v a t e dp i l e s u b j e c t e dt os h i pi m p a c ta n df l e x i b l ep i l e da n t i c o l l i s i o ns y s t e m a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fg l o b a le c o n o m i c ，t h eg e n e r a t i o no fw a t e r s t r u c t u r ei n c r e a s e sd r a s t i c a l l ya r o u n dt h ew o r l d ，s u c ha sb r i d g ep i e r s ，t r a n s m i s s i o n t o w e ra n do f f s h o r ed r i l l i n gp l a t f o r m s ，w h i c hw i l lb es e r i o u s l ya f f e c t e db ys h i pi m p a c t i t i s s i g n i f i c a n tt os t u d yt h ea n t i c o l l i s i o nd e s i g nm e t h o d sa n dt h ea n t i c o l l i s i o n s y s t e m sf o rt h e s es t r u c t u r e s u n t i lr e c e n t l y , m o s to fa n t i - c o l l i s i o nd e s i g nm e t h o d si s b a s e do ni m p a c tf o r c ec o n t r 0 1 w h e r e a s ，t h ef l e x i b l ee l e v a t e dp i l e ds t r u c t u r ew i l l e x h i b i tl a r g ed e f o r m a t i o ns u b j e c t e dt ot h ei m p a c tf o r c e ，a n da b s o r bt h ei m p a c te n e r g y b yt h ed e f o r m a t i o no fi t s e l f , t h et r a d i t i o n a la n t i - c o l l i s i o nd e s i g nm e t h o di sn ol o n g e r a p p l i c a b l e s os t u d y i n gt h el a g ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e v a t e dp i l e d s t r u c t u r e sa n dt h en e wa n t i c o l l i s i o nd e s i g nm e t h o di sr e q u i r e d b a s e do nt h ek n o w n 掰”m e t h o da n dp - yc u r v em e t h o d t h ef i n i t e d i f f e r e n t i a l p r o g r a m si sd e v e l o p e dt os t u d yt h el a t e r a ld e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e v a t e d p i l e s l a r g e - s c a l e m o d e lt e s t sa r ec a r r i e do u tt o s t u d yt h el a r g e d e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e v a t e dp i l e ，a n dt h ep i l es h a f tl a t e r a ld e f o r m a t i o na n db e n d i n g m o m e n ta r em e a s u r e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns h a f tl a t e r a ld i s p l a c e m e n t s ，b e n d i n g m o m e n t sa n ds o i lr e a c t i o n si se s t a b l i s h e d ，a n dar e a s o n a b l eh y p e r b o l i cp - yc u r v em o d e l i sp r o p o s e d i ti sf o u n dt h a tt h ep i l ec a n t i l e v e rl e n g t hm u c hi n f l u e n c e st h ep i l es h a f t l a t e r a ld i s p l a c e m e n ta n db e n d i n gm o m e n t t h ep i l es h a f tl a t e r a ld i s p l a c e m e n ti sa l m o s t b i l i n e a rt ot h er a t i oo fp i l ec a n t i l e v e rl e n g t h ，a n dt h ep i l es h a f tb e n d i n gm o m e n ti s a l m o s tl i n e a rt ot h er a t i oo f p i l ec a n t i l e v e rl e n 酉h b a s e do nt h ed y n a m i cp - yc u r v em e t h o d ，ad y n a m i cm o d e li sp r e s e n t e df o rt h e c o l l i s i o na n a l y s i so ft h ee l e v a t e dp i l e ds t r u c t u r es u b j e c t e dt oam o v i n gs h i p w i t ht h e m o d e l ，t h ee n e r g yt r a n s f e r m a t i o na n dt h ed e f o r m a t i o no ft h ee l e v a t e dp i l e ds t r u c t u r e d u r i n gt h ec o l l i s i o na r es t u d i e d i ti sf o u n dt h a tt h ei m p a c te n e r g ym a i n l yt r a n s f e r st o t h ep i l ef o u n d a t i o na n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei m p a c te n e r g ya n dt h em o m e n to f i i 浙江大学硕士学位论文船舶撞击下高桩大变形性状及柔性护墩桩式防撞系统研究 t h ep i l es h a f ti sg i v e n i ti sf o u n dt h a tt h e r ei sl i t t l ed i f f e r e n c eb e t w e e nr e s u l t sa n a l y z e d b ys t a t i cp - yc u r v e sm e t h o da n dd y n a m i cp - yc u r v e sm e t h o dr e s p e c t i v e l y t h u s ，t h e s t a t i cp - yc u r v em e t h o dc a nb eu s e dt oa n a l y z et h ee l e v a t e dp i l e ds t r u c t u r es u b j e c t e dt o t h es h i pi m p a c t f u r t h e r , a l la n t i c o l l i s i o nd e s i g nm e t h o db a s e do ne n e r g yc o n t r o lf o r t h ee l e v a t e d p i l e d s t r u c t u r ei s p r e s e n t e d ，a n d an e wf l e x i b l e p i e r - s u p p o r t e d a n t i c o l l i s i o ns y s t e mi sp r o p o s e d f i n a l l y , t h e s en e wa n t i - c o l l i s o ns y s t e ma n dn e w d e s i g nm e t h o da r ea p p l i e dt oas p e c i f i ce n g i n e e r i n g c a s e k e y w o r d s ：e l e v a t e dp i l e ；l a r g ed e f o r m a t i o n ；s t a t i cp - yc u r v em e t h o d ；d y n a m i cp - y c u r v em e t h o d ；f i n i t e d i f f e r e n c em e t h o d ；s h i p ；c o l l i s i o n ；e n e r g yc o n t r o l ；a n t i c o l l i s i o n s y s t e m i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝望盘鲎或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者躲罗军 签字胁脚年多月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 罗军 导师签名： 签字日期：2 矽谚年易月jj 日签字日期：刃嫜多月lf 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：电话： 浙江大学硕士学位论文船舶掩击下r 盎桩人变形他状及柔性护墩桩式防掩系统研究 1 1 研究背景 第一章绪论 随着全球经济的快速发展，越来越多的水中结构如桥墩、水中输电塔、钻井 平台等出现在1 _ l f 界各地。通航船舶对这些水中结构造成了严重的威胁，有关资料 表明，对于18 4 7 19 7 5 年世界各地发生的1 4 3 例桥梁跨塌事件进行事故分析，由 船舶撞击诱发的各类大型桥梁跨塌事故，在7 0 年代以| j 仃便占据了跨塌总数的近 1 0 ，而且随着船舶总吨位和船舶数量的大量增长，水中结构物受撞击的概率将 会提高，撞击带来的破坏程度也将同时增加，因此研究水中结构的防撞问题具有 重要的工程意义。 a 刚性撞击b 柔性撞市 图1 1 结构刚性撞击与柔性撞击 经过多年的发展，水中结构物防撞设计的研究已经取得了较大的发展。现行 各国相关规范一般采用如下墩式结构防撞设计方法：首先采用经验公式估算撞击 过程叶1 的最大撞击力，再由估算的最大撞击力根据p - ) ，曲线法或“m 法”等桩基 水平承载力计算方法验算墩式结构的水平承载力，是一种典型的以变形或撞击力 控制的防撞设计方法。然而由于最大撞击力估算公式的前提条件是墩式结构的刚 第一章绪论 度较大，因而这种防撞设计方法仅适用于结构刚度较大的情况( 见图1 1 ( a ) ) ，撞 击过程中主要靠船舶或结构的塑性变形吸收能量。当墩式结构的刚度较小时( 如 图1 1 ( b ) 所示) ，而船舶质量较大时，墩式结构将发生较大的变形，撞击过程中主 要靠墩式结构自身的水平变形吸收撞击能量，此时传统的撞击力控制防撞设计方 法已不再适用，需在高桩水平大变形研究的基础上探索新的工程防撞设计方法。 因此，对静动力荷载作用下高桩结构水平大变形性状及其防撞设计方法进行 研究具有重要的科学意义和工程应用价值，此即本文研究之目的。 1 。2 国内外研究现状 1 2 1 水中结构防撞设施研究现状 防撞设施必须在实践中有效避免或降低船舶的撞击破坏。无论采用何种防撞 措施，其首要目的是保证结构物的安全，降低可能发生的经济损失。目前就防撞 系统本身而言，有非结构性防撞系统和结构性防撞系统铁路桥涵设计基本规范 ( t b l 0 0 0 2 1 9 9 ) 。非结构性防撞是指通过有效的管理手段导引航船的航向， 控制航行，以减少撞击事故的发生，其主要措施是交通信号和监理。这一系统受 限于人为的参与和复杂的天气情况，往往辅助结构性防撞系统参与重大水域结构 物的撞击防御。对于结构性防撞系统而言，主要是设置结构构造物的防撞措施， 藉以提供水域结构物的抗冲击能力或者缓冲船舶的撞击力。其主要的构造类型又 可分为直接构造和间接构造，直接构造方式有附着式防护系统、重力式防护系统 等；间接构造方式有人工岛防护系统、集群式防护桩系统、胶囊沙袋防护系统以 及漂浮网状防护系统等。 附着式防撞系统依附于水中结构，不需要单独的基础处理，一般只针对撞击 力较小的情况。法国凡尔东桥采用了人工岛防护系统( 谢兰捷，2 0 0 4 ) ，沿桥墩周 围填筑砂石，或者利用疏浚航道的弃土在桥墩上下游堆垒成堤坝，使撞击船舶撞 击后搁浅或者通过堤坝的巨大自重直接抵抗船舶的撞击，保护桥梁免遭破坏。人 工岛防护体系对轮船的损坏比较大，且占据较多的航道宽度，对通航量有严格要 求的工程是不实用的。集群式防护桩系统采用桩结构来抵抗船舶撞击力，吸收船 舶撞击能量。桩结构打入地下深度按照设计撞击力以及桩土性状来确定，由于桩 受到水下地基土反力的作用，其撞击后产生的横向位移将受到一定的约束，撞击 2 浙江大学硕士学位论文船舶撞击下高桩大变形性状及柔性护墩桩式防撞系统研究 能量在桩土共同运动中吸收，从而产生缓冲的效果。集群式防护桩通常分单排防 护桩和多排框架式防护桩，桩与桩之间用钢筋混凝土横梁连接，单排防护桩防撞 能力低，多排框架式防护桩施工复杂，造价昂贵，相关工程实例有澳大利亚第二 霍巴特桥桥墩防撞系统等。 在我国已建工程中，杭州湾跨海大桥北航道桥防撞措施采用与施工过程统一 的附着于墩体的防撞套箱作为防撞设施；位于上海东南距南汇芦潮港约3 0 公里的 东海海面上的东海大桥主副通航孔桥墩防撞措施采用钢管桩基础加承台的形式； 广东湛江海湾大桥通过研究柔性消能防撞模式，创新地开发出能够抵抗5 万吨级 船舶撞击的柔性附着式防撞措旌；深圳市前湾电厂送电工程海域段铁塔基础工程 则采用了海中抛大石块填筑人工岛的防护措施。 由上可知，目前国内外已有的水中结构防撞设施在实际应用中还存在较大的 局限性，开发防撞能力强、施工方便、造价经济的新型防撞系统将在实际工程应 用中带来巨大的经济和社会效益。 1 2 2 撞击理论研究现状 目前关于水中结构撞击理论的相关研究主要集中于船舶与结构物之间撞击力 计算以及撞击分析模型的建立。 船舶碰撞水中结构物时产生的撞击力涉及许多因素，诸如船舶类型、航行速 度、撞击角度、航道水深、水流速度、潮汐变化、船舶材料属性、被撞体材料属 性、被撞体种类等。国际上对于该问题的研究主要有以下几种方法。 w o i s i n ( 1 9 7 6 ) 根据2 4 个船舶缩比模型试验，总结出了散装货船对刚性桥墩 的关于时间平均的有效撞击力的经验公式： f ：o 8 8 可历 ( 1 1 ) 其中，f 为效撞击力；d 矿哟船舶的重量。 式( 1 1 ) 依赖的试验资料来自于4 0 0 0 t 以上的散装货轮与刚性墙壁的碰撞试 验，碰撞速度约为8 m s ，( 1 1 ) 式缺少重要的速度参数，因而具有很大缺陷。在 制定1 9 9 1 年版的a a s h t o 桥梁船舶撞击设计指南时，w o i s i n 教授对他提出的试 验数据重新进行了评估和分析，在式( 1 2 ) 中引入了速度参数，这就是1 9 9 1 年 版的a a s h t o 桥梁船舶撞击设计指南给出的船首正碰设计船舶撞击力的计算公 第一章绪论 式： f ：o 1 2 2 瓦厅v( 1 2 ) 其中，v 为船舶的撞击速度。 我国现行的铁路桥涵设计基本规范( t b l 0 0 0 2 1 9 9 ) 中规定的设计船 舶撞击力计算公式为： 脚压s m 口 ( 1 3 ) 其中，是设计船舶撞击力；y 是动能折减系数，正向撞击时7 取0 3 ，斜向撞击， 口2 0 。时7 取0 2 ；w 是船舶重量；v 是船舶撞击前的航行速度；口是船舶撞击 前航行方向与撞击面法线方向的夹角：c 。是船舶的弹性变形系数；c ：是被撞桥梁 构件的弹性变形系数；在无资料时，铁路桥涵设计基本规范( t b l 0 0 0 2 1 2 0 0 5 ) 建议q + c ：取0 0 0 0 5 。 我国公路桥涵设计通用规范( j t j 0 2 1 8 9 ) 规定，通航河流中的桥梁墩台 所受的船只或漂浮物的撞击力可按下式计算： p ：w v( 1 4 ) g t 其中，尸是设计船舶撞击力；缈是船舶或漂浮物重量，计及附连水质量应乘以1 1 的系数；v 是水流速度，即船只或漂浮物和桥梁墩台之间的相对速度；t 是冲撞时 间，应根据实际资料估计，在无实际资料时一般取1 s ；g 为重力加速度。 上述撞击力简化公式基本都与船舶速度和吨位有关，主要通过以下途径获得： ( 1 ) 能量交换原理或冲量原理；( 2 ) 通过分析原型和模型的试验资料；( 3 ) 基 于大量碰撞数值计算结果的统计。由于能量交换原理和冲量原理对于完全弹性系 统可以比较好的进行描述，但对于复杂体系的弹塑性碰撞问题难于给出比较准确 的定量结果，因而这些简化公式具有较大的局限性。另外，上述公式基本仅适用 于被撞击结构物刚度较大的情况，不适用于柔性撞击。因此，采用上述简化公式 分析具体工程特别是柔性防撞系统时应谨慎。 运动船舶对水中结构的撞击作用是一个涉及到能量传递及耗散、应力波传播、 4 浙江大学硕士学位论文船舶撞击下高桩大变形性状及柔性护墩桩式防撞系统研究 结构振动、复杂边界条件和多相动态耦合的物理、力学过程，其中存在着大量的 非线性现象。长期以来，如何合理地分析如此复杂的问题一直是困扰各国学者的 课题。 现有桥墩撞击研究所采用的主要模型有基于动量与能量守恒原理的质点撞击 模型( z h u & l e u n g ，2 0 0 5 ) 以及连续介质模型( l i u & g u ，2 0 0 2 ) 。质点撞击模型 分析方法较为简单，仅能考虑吸能器简单的应力应变关系，难以模拟船只及 桥墩结构的弹塑性特性。基于该模型的分析方法仅考虑了非常简单的桩土动力相 互作用模型( c h e n & z h u ，2 0 0 2 ) ，这些简单的弹性或粘弹性桩土动力相互作用模 型不能体现桥墩撞击过程中桩周土的弹塑性变形及桩土非线性接触特性。基于连 续介质模型的数值分析方法则具有较大的灵活性，通过引入接触单元可模拟船只 与吸能器或桥墩结构之间可能出现相对滑移、分离和摩擦等复杂的接触非线性物 理过程，而通过考虑材料非线性可分析撞击过程中船只、吸能器及桥墩的弹塑性 变形，而由于对桩土动力相互作用进行三维非线性分析的复杂性，土的作用在这 些分析中被忽略了。 对于桩土动力相互作用分析，鉴于三维非线性数值分析的复杂性，目前仍普 遍采用简单适用的w i n k l e r 地基梁模型。其中n o g a m i 模型( n o g a m i & o t a n i ，1 9 9 2 ) 是典型的非线性w i n k l e r 地基梁模型，通过考虑土的弹塑性应力应变关系能较 真实地模拟桩土横向或纵向相互作用的非线性行为。 在前人工作的基础上，本文将基于m o s t a f a n a g g a r ( 2 0 0 5 ) 桩基动力p - y 曲线法提出船舶撞击高桩结构的动力分析模型。 1 2 3 桩基水平变形研究现状 埋入土中的水平受荷桩的基本方程， 彤窘+ 坼川= 。 ( 1 5 ) 其中，日是桩身弯曲刚度；y 是桩身扰度；x 是泥面以下桩身长度；b 是与土反力 垂直方向的桩宽；p 是桩单位面积上的地基反力。求解1 5 式中的p ( x ，y ) 方法很 多，目前国内外的研究方法主要分为如下三类： ( 1 ) 极限地基反力法( 极限平衡法) 第一章绪论 土极限状态的地基反力分布形状是按经验假定的，由作用于桩上的外力平衡 求得地基土的反力，此时， p = p ( x ) ( 1 6 ) 即地基反力p 只是x 的函数，而与桩的扰度y 没有直接关系。对此，有基于沉井 和沉箱计算而假定p ( x ) 按2 次曲线分布的e n g e l 物部法( 1 9 5 2 ) ；假定按直线分布 的r a e s 法( 1 9 3 6 ) ；罔部、s n i t k o 等方法；适用于短桩的b r o m s 法( 1 9 6 4 ) 等。 ( 2 ) 弹性地基反力法 这个方法假定土为弹性体，按弹性地基反力p 为对应于扰度y 所产生的反力， 应用梁的弯曲理论计算桩身内力的方法。 计算地基反力时采用w i n k l e r 模型，不考虑桩土之间的粘聚力和摩阻力，把 桩周土离散为一个个单独作用的弹簧，当某一个弹簧受力时，仅此弹簧有和力成 比例的压缩或伸长，而其它弹簧不受影响。用数学模型表示为： p = k x ”y ” ( 1 7 ) 其中，k 为由土的弹性决定的系数。 弹性地基反力法按y 的指数n 来区分，有n - 1 的弹性地基反力法和n 1 的 非线性弹性地基反力法，两者的数学处理完全不同。对于线弹性地基反力法，m - - 0 为张有龄法( 1 9 3 7 ) ；m = l 为r o w e 法( 1 9 5 6 ) ，即我国规范中常用的m 法；m = l 2 为c 法；m = 2 为k 法；对于任意的m 有p a l m e r - t h o m p s o n 法( 1 9 4 9 ) 。对于非线 性弹性地基反力法，m = l 、n 1 的情况中，r i f a a t 所提出的刀= 0 5 的港湾研究所 方法最有代表性；利用土的不排水三轴压缩试验结果，用弹性地基反力逐步近似 计算的m c c l e l l a n d & f o c h t 法( 1 9 5 8 ) ；根据地基的特性，由久保( 1 9 6 4 ) 针对m = l 提出的和由林一宫岛( 1 9 6 3 ) 针对m = 0 提出的计算方法。 ( 3 ) 复合地基反力法( p - y 曲线法) p - y 曲线法是假定土中桩为一弹性梁，而用一系列独立的非线性弹簧模拟不 同深度的土层( 见图1 2 ) ，当桩顶作用一水平荷载且桩将产生扰曲变形，设地 面以下z 深度处的桩扰度为y ，该薄层的土反力为p 。这样就可以得到在水平荷载 日作用下，某一深度z 处土反力与变形之间的一族关系曲线( p - y 曲线) ，利用此 族曲线与基本微分方程( 1 5 ) 就可以分析任意水平荷载下的桩周土体变形及桩水 6 浙江大学硕士学位论文船舶撞击下高桩大变形性状及柔性护墩桩式防撞系统研究 平承载力。这一方法综合反映了桩周土的非线性、桩身刚度和外荷载作用性质等 特点。 图1 2 水平受荷桩计算模式 ( a 桩剖面图b 计算简化图c p - y 曲线) m c c l e l l a n d & f o c h t ( 1 9 5 8 ) 首先提出了p - y 曲线法，他们将不同深度处土体的 三轴应力一应变试验数据和桩的荷载一位移曲线相关联，并估计了每一土层的地 基反力模量。r e e s e ( 1 9 5 8 ) 提出了应变面土楔的概念和深层塑性滑动破坏模型来 求得土体的极限不排水抗力。随后m a t l o c k ( 1 9 7 0 ) 在水下软粘土( 墨，= 3 8 3 k p a ， = 0 0 1 2 ) 地基中完成了直径为3 2 4 m m 钢管桩的水平荷载试验，提出了桩在水 下软粘土中的p - y 曲线。r e e s e 等( 1 9 7 4 ) 在砂土中对直径6 1 0 m m 的钢管桩进行 静态水平荷载试验，建立了砂土中的p - y 曲线。上述两种方法被美国石油协会1 9 7 5 年锚定式海洋平台设计施工技术规范( a p i r p 2 a ，1 9 7 5 ) 采用。o n e i l l & m u r c h i s o n ( 1 9 8 3 ) 对砂土中p y 曲线的关系进行系统的评估，并通过一系列桩基 荷载试验比较了r e e s e ( 1 9 7 4 ) 分段曲线法、b o g a r d & m a t l o c k ( 1 9 8 0 ) 修正法、 s c o r ( 1 9 7 9 ) 双折线法、p a r k e r & r e e s e ( 1 9 7 0 ) 连续双曲线切线法，认为双曲线 法精度最高且相对容易使用。 王浩芬( 1 9 8 9 ) 提出了一种由试桩实测弯矩引用最小二乘法误差理论建立p - y 曲线的新途径，并进行了水平荷载非线性的有限元数值分析。p r a k a s h & k u m a r ( 1 9 9 6 ) 考虑土的非线性发展了均质砂土中的p - y 曲线，给出了砂土中荷载位 7 峄焙崞崞晕 第一章绪论 移曲线的上边界和下边界曲线。b r i a u d ( 1 9 9 7 ) 基于p - y 曲线提出了半理论半经验 的桩在水平荷载作用下的简化方法( s a l l o p ) 。张舒羽( 2 0 0 1 ) 根据试验资料， 分析了极限土抗力与一些容易获得的土性参数之间的关系，提出了更为简单方便 的p - y 曲线经验公式。l e r m i t t e ( 2 0 0 1 ) 和j a n o y a n ( 2 0 0 1 ) 分别通过现场原型试 验对p - y 曲线的应用做了进一步的研究。 水平受荷桩上述分析方法的实用性存在很大的差异，线弹性分析方法适用于 小变形问题。针对桩基水平大变形问题，有必要揭示桩身位移、弯矩及桩周土反 力之间的内在联系，研究水平荷载作用下桩身达到屈服及桩基发生大变形时传统 p - y 曲线法的适用性，并探讨高桩悬臂长度对其变形和水平承载力的影响。 1 3 本文的主要工作及技术路线 一、本文主要的研究工作 通过对前人关于防撞设施、撞击理论以及水平受荷桩分析理论相关研究工作 的回顾可知，目前关于水平荷载作用下桩基大变形分析理论的适用性还有待进一 步研究，对柔性高桩结构防撞设计方法的研究还不充分。本文在前人的基础上完 成了如下工作： ( 1 ) 分析了静动荷载作用下桩基水平大变形性状，开展了静力荷载作用下高 桩水平大变形大比例模型试验，研究了高桩的水平大变形特性。 ( 2 ) 建立了桩身水平位移、弯矩、桩周土三者之间相互推导的有效途径，分 析了桩周土p - y 曲线的特性，发现桩周土极限反力近似与深度成正比关系，在以 上基础上提出了新型双曲线型p 哕曲线模型。比较了r e e s e 法、a p i 法p 吵曲线计 算结果和试验值的差别，说明了r e e s e 法和a p i 法的工程适用性。 ( 3 ) 建立了船舶撞击高桩结构的动力分析模型，提出了基于能量控制的高桩 结构防撞设计方法。 ( 4 ) 提出了新型柔性护墩桩式防撞系统，并应用于重大工程。 二、技术路线 本文的研究分为三阶段：第一阶段着眼于静动力荷载作用下高桩结构的大变 位性状分析；第二阶段提出高桩基于能量控制的防撞设计方法；第三阶段为新型 8 浙江人学硕士学位论文 船舶撞击下高桩大变形性状及柔性护墩桩式防撞系统