（工程力学专业论文）靠船墩桩土相互作用分析及疲劳可靠度研究.pdf

中文摘要 摘要 通常的结构分析模型是建立在确定性物理意义上的，即把分析过程中各种因 素作为确定性物理量来进行处理。但是，实际工程结构分析中存在各种各样的不 确定性。本文通过靠船墩结构的随机力学分析方法、可靠度计算方法、疲劳可靠 度和寿命预报计算方法的系统研究，一方面在理论上提出靠船墩疲劳可靠度的分 析方法，另一方面可以指导工程实践，实践中可以在确保安全的前提下提出经济 合理的设计方案，具有广泛的应用价值和现实的社会意义。 本文采用传统的m 法和考虑土层塑性的p y 曲线法，并与三维弹塑性有限元 法进行对比考虑地基土性参数和荷载的随机性，对高桩墩式结构物进行随机力 学分析；并在此基础上引入疲劳分析中应用广泛的中值s n 曲线，同时考虑其随 机特性，采用改进的响应面法对高桩墩式结构物进行疲劳可靠度分析，并根据疲 劳可靠度进行寿命预报。研究受到不确定因素影响的港口工程结构的疲劳问题， 引入结构可靠性理论，用疲劳可靠性分析的方法，对结构在疲劳方面的安全性作 出比用确定性方法更加合理的评估，从而为结构在疲劳方面的安全性评估提供更 加科学合理的手段。 本文运用工程力学、土力学、有限元、疲劳可靠度等理论，对高桩墩台结构 桩土相互作用及靠船墩结构疲劳可靠度开展相应的研究，在我国港h i 程中具有 明显的工程背景和理论及实用价值。主要工作内容如下： ( 1 ) 综述了桩土结构分析、工程结构可靠度、疲劳可靠性研究现状和已经 取得的研究成果。 ( 2 ) 研究应用线性弹性地基反力法m 法和以非线性模式来反映桩土问的相 互作用关系的p - ! f 曲线法来分析桩土相互作用，以桩台变位六要素建立平衡方程 的三维桩和刚性承台结构物的整体计算方法，进行高桩墩台的结构分析。 ( 3 ) 考虑荷载、土性参数存在随机性，结构响应变位、内力、应力也存在 随机性，其标准差采用一阶t a y l o r 展式近似求得，采用直接差分法求出进行结构 响应分析的偏导数，概念清晰明了，程序实现方便。 ( 4 ) 讨论了土与结构相互作用体系中桩的数值模拟方法，在广义位移法的 基础上推导了斜梁单元计算列式，比较分析实体单元和梁单元在反映土与桩基相 互作用有限元计算中的适用性，研究了在广义位移法的基础上采用梁单元模拟桩 的应用模式，提出按接触问题求解桩土相互作用问题的有限元混合解法。 ( 5 ) 分析了结构可靠度j c 法及其随机变量的统计特性对可靠度计算的影 响，讨论了功能函数的建立通过正交“试验”拟合一个响应面来模拟真实的极 限状态曲面，用一个待定的响应面函数逐步逼近实际的功能函数，提出了改进的 响应面法，使可靠度分析更为有效。 中文摘要 ( 6 ) 提出采用疲劳中值s - n 曲线，进行靠船墩桩结构疲劳可靠性分析，从 概率的角度对结构的疲劳寿命进行预测，从而对结构在疲劳方面的安全性做出评 估。 ( 7 ) 对某汽车渡轮的靠船墩进行计算分析，并与实际运行状况分析对比， 为靠船墩的可靠度设计提供理论依据和修复建议。 关键词：靠船墩、桩土相互作用、广义位移法、有限元混合解法、改进响应面法、 疲劳可靠度 i v a b s t r a c t a b s t r a c t a c c u s t o m e ds t r u c t u r a la n a l y s i sm o d e l sa r eb a s e do nc e r t a i np h y s i c a li d e a s t h a t i st os a y ：a l lk i n d so f p h y s i c a lf a c t o r sa l ec o n s i d e r e da sc e r t a i nd a t u mi nt h ep r o c e s so f a n a l y s i s b u tp l e n t yo f u n c e r t a i nf a c t o r se x i s ti nf a c t u a le n g i n e e r i n gs t r u c t u r a la n a l y s i s i nt h i sp a p e r , b yc o m p r e h e n s i v e l yr e s e a r c h i n go nt h es t o c h a s t i cm e c h a n i c a la n a l y s i s m e t h o d ，r e l i a b i l i t yc o m p u t a t i o nm e t h o d ，f a t i g u er e l i a b i l i t ya n dp r e d i c t i o nm e t h o do f t h ef a t i g u el i f ef o rt h ep i e rs t r u c t u r e s ，ac o m p u t a t i o nm e t h o do ff a t i g u er e l i a b i l i t yi s p u t t e df o r w a r da n dt h ec o m p u t a t i o no u t p u tm a y s e r v ef o rt h ep r o j e c t b ya d o p t i n gc o n v e n t i o n a lm - m e t h o da n d p yc m v e sm e t h o da n d c o n s i d e r i n gt h e r a n d o m i c i t yo f t h es o i lp a r a m e t e r sa n dl o a d s ，t h eh i 曲p i l es t r u c t u r e sa r ea n a l y z e db y s t o c h a s t i cm e c h a n i c a la n a l y s i sm e t h o d t h er e s u l ti sc o m p a r e dw i t ht h a to f3 - d e l a s t i c - p l a s t i cs f e m b yi n t r o d u c i n gt h em e d i a ns - nc u r v e sa n dc o n s i d e r i n gi t s s t o c h a s t i cp r o p e r t i e s ，t h eh i g hp i l es t r u c t u r e s f a t i g u er e l i a b i l i t yi sa n a l y z e db ya n i m p r o v e dr e s p o n s es u r f a c em e t h o d a n dt h ef a t i g u el i f ei sp r e d i c t e db yt h ef a t i g u e r e l i a b i l i t y t h ef a t i g u ep r o b l e m so fp o r te n g i n e e r i n gs t r u c t u r e sa r cr e s e a r c h e db yt h e f a t i g u er e l i a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o d t h es e c u r i t ye v a l u a t i o nb yf a t i g u er e l i a b i l i t y a n a l y s i sm e t h o di sm o r er e a s o n a b l et h a nb yc e r t a i na n a l y s i sm e t h o d i nt h i sp a p e r , t h ei n t e r a c t i o no f p i l e sa n ds o i la n dt h ef a t i g u er e l i a b i l i t yo f t h ep i e r s t r u c t u r e sa r er e s e a r c h e db yt h et h e o r i e so fe n g i n e e r i n gm e c h a n i c s , s o i lm e c h a n i c s ， f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n df a t i g u er e l i a b i l i t y t h ec o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ei n t e r a c t i o no f p i l e sa n ds o i l ，e n g i n e e r i n gs t r u c t u r e sr e l i a b i l i t ya n df a t i g u e r e l i a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o da r eo v e r v i e w e di nt h i sp a p e r ( 2 ) t h ei n t e r a c t i o no f p i l e sa n ds o i li sa n a l y z e db yc o m b i n i n gm m e t h o da n d t h e f o r m u l ao fp - yc u r v e so fc o m p o u n df o u n d a t i o nr e a c t i o nm e t h o d t h eh o l i s t i c c o m p u t a t i o nm e t h o do ft h r e e - d i m e n s i o np i l ea n dr i g i dc a ps t r u c t u r ei se s t a b l i s h e db y t h eb a l a n c ee q u a t i o n st h a ta r ep r o d u c e db yp i l ea n dr i g i d c a pd i s p l a c e m e n t ss i x f a c t o r s ，a n dt h eh i g hp i l es t r u c t u r ej sa n a l y z e db yt h i sm e t h o d ( 3 ) t h ed i s p l a c e m e n t sa n ds t r e s s e sa r es t o c h a s t i cb e c a u s eo ft h er a n d o m i c i t yo f l o a d sa n ds o i lp a r a m e t e r s t h e i rs t a n d a r dd e v i a t i o n sa r eg a i n e db yo n eo r d e rt a y l o r f o r m u l aa n dt h e r ep a r t i a ld e r i v a t i v e sa r eg a i n e db yd i r e c td i f f e r e n c em e t h o d t h ei d e a i sc l e a ra n dt h ep r o g r a mi se x p e d i e n t l yi m p l e m e n t e d ( 4 ) t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o di sd i s c u s s e da b o u tt h ei n t e r a c t i o no fp i l e v a b s t r a c t _ 一i i ；i ；= j ；_ j e 目；目目；目j | e _ j _ j ；| i i j ；_ _ a n ds t r u c t u r e b a s e do ng e n e r a l l yd i s p l a c e m e mm e t h o d ，t h ef o r m u l a so fl e a n i n gb e a m e l e m e n ta l ed e d u c e d n 圮a p p l i c a b i l i t yo fs o l i de l e m e n ta n db e a md e m e md u r i n g a n a l y z i n gt h e i n t e r a c t i o no fp i l ea n ds o i li sc o m p a r e 山1 ka p p l i c a t i o nm o d eo f s i m u l a t i n gp i l eu s i l l gb e a me l e m e n to nf o u n d a t i o no fg e n e r a l l yd i s p l a c e m e n tm e t h o d i sd i s c u s s e d n l ef i n i t ee l e m e n tm i x e dm e t h o do f s o l v i n gi n t e r a c t i o no f p i l ea n ds o i li s p r e s e n t e db a s e do nc o n t a c t i n gq u e s t i o n ( 5 ) 1 1 1 es t r u c t u r a lr e l i a b i l i t yj c - m e t h o di sa n a l y z e da n dt h ee f f e c to fs t o c h a s t i c v a i l a b l e s s t a t i s t i c a te h a l a c t e r i s t i ct or e l i a b i l i t yi sd i s e n s s e d t h ef o u n d a t i o no f p e r f o r m a n c ef u n c t i o n sj sd i s c u s s e d t h ea c t u a lu l t i m a t es t a t es r r f a c ei ss i m u l a t e db ya r e s p o n s es u r f a c et h a ti ss i m u l a t e db yo r t h o g o n a lt e s t t h ei m p r o v e dr e s p o n s es u r f a c e m e t h o di sb r o u g h tf o r w a l db yu s i n gap e n d i n gr e s p o n s es u r f a c ef i m c t i o nt og r a d u a l l y a p p r o a c ht h ea c t u a lp e r f o r m a n c ef u n c t i o n s a n dt h i sm a k e st h er e l i a b i l i t ya n a l y s i s m e t h o dt ob em o r ee f f e c t u a l ( 6 ) t h ef a t i g u er e l i a b i l i t yo ft h ep i e rs t l a l c t n r 鹤i sa n a l y z e db ya d o r i n gf a t i g u e m e d i a ns - nc u l r v e s t h ef a t i g u el i f ei sp r e d i c t e df r o mt h ev i e w p o i n to f p r o b a b i l i t y s o t h es t r u c t u r ef a t i g u es e c u r i t yi se v a l u a t e d ( 7 ) t h ep i e rs t r u c t u r e so fa c t u a lc a i f e r r y b o a ta l ea n a l y z e db yu s i n gt h em e t h o d s i nt h i sp a p e r b yc o m p a r i n gt h ea c t u a lr u n n i n gs t a t e ，i ti n d i c a t e st h er a t i o n a l i t ya n dt h e f e a s i b i l i t yo f t h ep r e s e n t e dm e t h o d a n dt h et h e o r yg i s ta n dr e p a i ra d v i e e sa l eo f f e r e d f o rt h ed e s i g no f t h ep i e rs t r u c t u r e s k e yw o r d s ：p i e r , i n t e r a c t i o no fp i l ea n ds o i l ，g e n e r a l l yd i s p l a c e m e n tm e t h o d , t h e f i n i t ee l e m e n tm i x e dm e t h o d ，i m p r o v e dr e s p o n s es u r f a c em e t h o 也f a t i g u er e l i a b i l i t y v i 前言 朗雷 靠船墩结构作为一种高桩墩式码头结构，国外在7 0 年代开始考虑土体桩 墩台的相互作用问题，基于桩土材料的不同特性而建立的力学数学模型一直以来 是研究的热点和难点。作为水运工程的评价指标也一直习惯以安全系数来表征， 然而，安全系数只是一个由确定的信息得到的一个定值，它未能考虑设计变量中 任何客观存在的变异性，某一特定的安全系数值，对于不同的工程未必具有同样 的意义。因此，考虑实际工程中的不确定因素，从概率的角度对结构的安全性进 行分析显得较为科学合理。 随着港口大型化、外海化，高桩墩式码头在沿海和内河港口中得到广泛应用。 为了适应外海开敞式码头建设的需要，必须特别关注水平荷载、往复循环荷载作 用下高桩墩台的受力特性，建立桩土相互作用下结构的整体力学模型，为优化设 计提供依据。港口码头的建设在八十年代曾有一个建设高潮期，大部分高桩码头 由于使用年限的影响，疲劳破坏不时发生，急需进行修复改造，如广东虎门双层 汽车渡轮等。在桥梁桩墩基础工程中也存在类似的疲劳问题。因此有必要加强结 构桩土相互作用分析和疲劳可靠度的研究，为工程实践提供科学的依据。 高桩墩台结构受结构本身特点所限，其承载能力有限，在水平力作用下，桩 基变形较大，在工程应用中除了要保证结构强度外更要注意其位移。尤其是在频 繁的船舶冲击荷载作用下，结构强度将逐渐降低，安全性亦逐渐减小，应关注其 耐久性。此外，疲劳失效分析已成为关系到高桩墩台结构的使用安全性和经济性 的一个重要因素。 本文在收集国内外广泛研究成果基础上对考虑桩土相互作用的桩结构内力 计算方法、随机力学分析方法、隐式极限状态方程下桩承载能力的可靠度计算方 法、靠船墩桩的疲劳可靠度和寿命预报等进行了深入系统的研究，为评价靠船墩 桩的可靠度提供了系统实用的分析方法。研究成果也可用于类似的土木和水利工 程问题。论文主要创新点为： ( 1 ) 提出按接触问题求解桩土相互作用问题的有限元混合解法。在法向不 可贯入、法向接触力为压应力、切向为摩擦力、界面滑移方向保持与摩擦力方向 相逆等条件下，建立了初始间隙摩擦接触问题的力学模型，推导了相应的有限元 列式，并给出了在接触约束条件下的迭代步骤。通过数值算例的计算表明了本文 提出方法的正确性。 ( 2 ) 提出基于正交试验的变f 的改进响应面法求解结构可靠度。响应面函 数选用一阶形式，试验点采用正交试验设计方法构造，系数f 非定值，随迭代过 程变化逐渐逼近验算点附近，可有效减少结构确定性分析次数。提高计算效率， 具有较好的计算精度。 前言 ( 3 ) 考虑影响疲劳寿命的不确定因素，进行靠船墩疲劳可靠度分析。以应 力为基础建立疲劳可靠度的功能函数，结构安全性由最危险单桩的安全性表示， 应用中值s - n 曲线，进行疲劳寿命预报，为工程设计优化和技术改造提供依据。 ( 4 ) 在高桩码头靠船墩结构加固中，首次应用疲劳可靠度分析方法对渡轮 码头靠船墩进行技术改造，通过与实际运行状况的对比分析，为类似工程的靠船 墩加固积累了经验。 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，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。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ； l 叁堕l 竺御年t f 月形日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) 阽咀红岫年| 1 只瓦b 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 在港口工程、海洋工程中，高桩墩台结构是应用最为广泛的结构形式之一， 具有结构轻、适宜做成透空结构、减弱波浪效果好，对地基适应能力强的特点， 特别是外海开敞式固定构筑物因位于无掩护海域，遭受大风大浪的侵袭，为减少 波浪爬高和反射，保证港区水域平稳，常采用的结构形式是透空式高桩墩台结构。 桩基础可考虑采用钢筋混凝土桩或钢管桩，钢筋混凝土桩具有耐久性好、造价低 的特点，主要应用于中、小型船舶靠船墩、系缆墩等；钢管桩具有抗弯能力大， 弹性好的特点，主要应用于大型码头以及必须承受频繁冲击荷载的靠船墩。 高桩墩台结构受结构本身特点所限，其承载能力有限，由于桩基自由高度大， 在水平力作用下，桩基变形也大，在工程应用中除了要保证结构强度外更要注意 其位移，关注其耐久性。尤其是在频繁的船舶冲击荷载作用下( 有时每小时可达 4 次) ，结构强度将逐渐降低，安全性亦逐渐减小，其疲劳失效分析已成为关系 到结构的使用安全性和经济性的一个重要因素。 研究高桩墩台结构位移和内力分布情况，必须要研究桩在水平力作用下的工 作机理“1 。在水平力和力矩作用下，桩为受弯构件，桩身产生水平变位和弯曲应 力，外力的一部分由桩身承担，另一部分通过桩传给桩侧土体。随着水平力和力 矩增加，桩的水平变位和弯矩也继续增大。当桩顶或地面变位过大时，将引起上 部结构的损坏，弯矩过大则将使桩身断裂。对于桩侧土，随着水平力和力矩的增 大，土体由地面向下逐渐产生塑性变形，在一定范围内产生塑性破坏，而下部的 土仍处于弹性状态。因此在确定水平承载力时，应同时满足桩的水平变位小于上 部结构所容许的水平变位，桩的最大弯矩小于桩身材料所容许的弯矩。水平力作 用下桩和土体的相互作用机理十分复杂，受多种因素影响，如土的强度和变形特 性、土体的原位有效应力、土体的应力历史、桩身材料强度、桩的形状和结构特 性以及载荷性质，且桩的水平变位会扰动桩周土，使土的密度和其他性质发生改 变，为此，应进一步研究在水平荷载下桩与土的相互作用性状。 由于桩结构都是深植于土体中，因此桩与土的相互作用就非常显著。在计算 桩结构物时，常常采用地基反力法，包括极限地基反力法、弹性地基反力法和复 盟攫盔堂簋土堂僮监塞鑫螳拯蕉土担互佳围盆蚯厘瘗羞亘靠廑班珏 合地基反力法，而有限元作为普适性较好、模型化能力强的数值方法，对于任何 复杂程度的结构与土相互作用分析都是一种可行的途径，是一种形式和途径都较 为同一、可编程性好的数值分析方法。水平荷载作用下桩与土相互作用的有限元 研究一般限于弹性范围，随着大型工程结构的增多和结构可靠度计算要求的提 高，研究桩在水平极限荷载下的性能显得尤为重要。大量的工程实践表明，通过 桩的水平荷载试验研究桩的水平承载力和破坏机理是最为可信的，但是通过试验 方法测定桩的水平极限承载力是非常困难的。因此，应用有限元理论进行桩的水 平极限承载力分析是目前桩的数值模拟分析的发展方向。 对一般结构的疲劳问题国内外众多学者己进行了较为深入的研究，对结构疲 劳破坏机理有了较深的认识，取得了较为丰硕的成果。“。特别地，对海洋工程 结构的疲劳现象已进行了大量的研究，并在此基础上建立了可供实际应用的疲劳 设计与分析方法。通常，结构的疲劳损伤和疲劳寿命采用m i n e r 线性累积损伤理 论和s - n 曲线来计算。近年来，更为先进的断裂力学方法也越来越受到重视，并 逐步得到了应用。目前，这两种方法已成为工程结构疲劳设计与分析的两种相互 补充的基本方法。但是，这两种方法一般都是在确定性的意义上使用的，也就是 说，在分析过程中，有关参量都认为有确定数值。对于高桩墩式结构物来讲，地 基土性参数、船舶冲击荷载及结构本身的力学参数均存在着较大的不确定性陋”， 大多数的影响因素从本质上说是随机的。例如，船舶撞击荷载、波浪无规则的运 动，由此引起结构内的交变应力就是一个随机过程；由于材料性能的分散性以及 在对材料性能进行测试的过程中存在许多不确定的因素，因此，结构对疲劳的抗 力( 疲劳强度) 也是随机的。此外，为了计算结构内的应力，需要采用一定的基本 假设和简化模型，这使得计算结果与结构内的真实应力之间存在系统的和随机的 误差。在疲劳累积损伤或裂纹扩展计算方面也有类似的误差存在，这一类误差又 称为模型的不确定性。用确定性的方法不可能对上述各种不确定因素的影响作出 客观的反映。采用确定性方法时，为了保证结构的安全，一般还要引入由经验确 定的安全系数，但这样得到的结果又往往过于保守，从而在经济上需付出昂贵的 代价。因此，采用概率分析的方法，对结构进行疲劳可靠度分析显得更为合理州。 国外学者m a d d o x 、h u n s e 、w i r s c h i n g 和s h e t t y 等人对船舶及海洋工程结构的 焊节点进行了疲劳可靠性分析研究“”我国学者陈伯真、胡毓仁等人对海洋平 台管节点的疲劳可靠性进行过研究“”。但对于高桩墩式结构物，考虑各种不确 2 第一章绪论 定性因素的疲劳可靠度研究及其疲劳寿命预报尚未见相关报道 在具体的港1 3 3 1 程实践中，经常碰到类似需要解决的实际问题。高桩码头是 我国港口工程中主要建筑物之一，在沿海和内河港口中得到广泛应用。高桩码头 一般采用预应力混凝土桩，钢管桩和预应力混凝土管桩，内河中小型码头采用钢 筋混凝土桩，根据不同的地质条件，还可采用钻孔灌注桩、嵌岩桩等。高桩码头 的结构形式有板梁式、桁架式、墩式、柔性靠船桩等型式，结构型式的选择要根 据使用要求、自然条件和施工条件通过技术经济比较确定。随着港口大型化、外 海化，高桩码头结构几乎成为不二选择，如广东省湛江港3 0 万吨级原油码头、 2 0 万吨级矿石码头，惠州大亚湾2 0 万吨级原油码头，海南洋浦港3 0 万吨级原 油码头等( 见图1 1 ) 。为了适应外海开敞式码头建设的需要，在深厚软土地基 上，又要充分考虑波浪荷载、船舶撞击荷载的作用，必须特别关注水平荷载、往 复循环荷载作用下高桩墩台的受力特性，建立桩土相互作用下结构的整体力学模 型，为优化设计提供依据。港口码头的建设在八十年代曾有一个建设高潮期，至 今已经二十年，大部分高桩码头由于使用年限的影响，疲劳破坏不时发生，急需 进行修复改造，如东莞沙角电厂煤码头、珠海高栏港区油品码头等。特别是广东 虎门双层汽车渡轮，包括东、西各两个泊位，1 9 9 2 年初建成并投入使用。据营 运统计渡轮码头日均靠泊次数约1 0 0 次。码头位置所处土层为第四系地层和燕山 期侵入的花岗岩、石英斑岩，第四系地层主要为河海混合相沉积层。该工程靠船 墩结构由上部承台和5 根钢管桩组成，经过近8 年的使用靠船墩已经出现疲劳破 坏的迹象( 一般港li t 程结构设计使用年限为3 0 5 0 年) ，经过采用潜水探摸、 超深波透射、低应变反射相结合的方法进行全面检测分析，结果表明墩下桩基破 坏程度较严重，共检测3 8 根桩，有1 2 根为i i i 类桩，而且每个靠船墩( 研究对 象包括8 个靠船墩) 下均有i i i 类桩，从肉眼观察，墩台与钢管桩的连接处均有 不同程度的破坏，致使整体性变差，在渡轮靠泊时一般有2 0 c m 的变位。在桥梁 工程中桩基墩式结构的应用也比较广泛，尤其是在河网区的桥梁更要进一步考虑 可能的意外情况下的船舶撞击。因此有必要加强结构桩土相互作用分析和疲劳可 靠度的研究，为工程实践提供科学的依据。 本文拟采用传统的m 法和考虑土层塑性的p - y 曲线法，并与有限元法进行对 比，考虑地基土性参数和荷载的随机性，对高桩墩式结构物进行随机力学分析， 得到结构内力和应力的均值和标准差等统计特征值；在此基础上引入疲劳分析中 3 图1 1 高桩墩式码头工程实例 4 第一苹绪论 应用广泛的中值s n 曲线，同时考虑其随机特性，采用改进的响应面法对高桩墩 式结构物进行疲劳可靠度分析，并根据疲劳可靠度进行寿命预报。研究受到不确 定因素影响的港 37 - 程结构的疲劳问题，引入结构可靠性理论，用疲劳可靠性分 析的方法，对结构在疲劳方面的安全性作出比用确定性方法更加合理的评估，从 而为结构在疲劳方面的安全性评估提供更加科学合理的手段。 本文运用工程力学、土力学、有限元、疲劳可靠度等理论，对高桩墩台结构 桩土相互作用及靠船墩结构疲劳可靠度开展相应的研究，在我国港口工程中具有 明显的工程背景和实用价值。通过研究取得的理论成果不仅可以对高桩墩台结构 从不确定性的角度进行设计的优化分析，而且还可对结构进行寿命预报，具有显 著的工程价值。通过本文的研究，一方面，对桩土相互作用分析方法和疲劳可靠 度理论作进一步的探讨和发展；另一方面，可望对靠船墩的工作性态、不确定因 素的影响以及重复荷载作用下结构的使用年限有一个较为清楚的认识，从而可直 接指导工程优化设计和施工，对旧码头的加固处理、改造升级等也具有较强的工 程实际意义，其研究成果还可对类似港口工程的设计和施工提供科学的依据。 1 2 研究进展 1 2 1 桩土结构分析研究进展 由于桩基具有承载力高、抗震性能强和沉降量小等优点，特别是它可以解决 软土等特殊地基的承载力问题，许多情况下建筑物的基础都选用了桩基础。桩基 的承载力主要取决两个因素：一是桩身的强度；二是地基土对桩的支承能力。本 文重点讨论桩的水平承载能力，研究桩的水平承载能力，必须研究水平荷载作用 下桩的工作性状，包括研究桩周土体的本构模型和桩土相互作用下接触界面的力 学行为。 在进行桩土结构的数值分析时恰当地选取土体的本构模型，对于整个数值分 析过程是至关重要的。因此，许多学者进行了大量研究，以期找到一种模型能较 好地反应土体的应力变形特征。目前常用的本构模型有：m o h r - - c o u l o m b 模型嘲、 d u n c a n - - c h a n g 模型。”、剑桥模型嘲等。d u n c a n - - c h a n g 模型是土体弹性非线性 本构模型睁2 1 的一种，是由常规三轴试验曲线来确定切线的弹性常数的，而且模 型反应了土体非线性变形的主要规律，在土体有限元分析中得到了广泛的应用。 建立在现代塑性理论基础上的弹塑性模型是土体本构模型中发展得较完善、 应用较广泛的一类模型。1 9 4 2 年d r u c k e r 和p r a g e r 首先把不考虑仉影响的 c o u l o m b 屈服准则与不考虑静水压力p 影响的m i s e s 屈服准则联系在一起，提出 了推广的m i s e s 理想弹塑性模型，即d p 模型。1 9 4 7 年d r u c k e r 等又发表了著名 论文“土力学与塑性力学的加工硬化理论”，指出静水压力会影响土的屈服，给 原来的开口端加上一个半球形的“帽子”屈服面，这就是最早的关于帽盖模型的 设想，为塑性加工硬化理论在土力学中的应用奠定了基础。 1 9 4 8 1 9 6 4 年间，英国剑桥大学的r o s c o e 等人在正常固结和超固结的粘土 试样的排水和不排水三轴试验的基础上，根据能量方程( 即由外力做功等于材料 弹性变形能与消散能或塑性能之和的能量守恒定律而导出的一组方程) ，提出了 c a m 粘土模型( 临界状态模型) 。将“帽子”屈服准则、正交流动法则和加工硬 化规律系统地应用于c a m 粘土模型中，并提出了l 临界状态线、状态边界面、弹 性墙等一系列物理概念，构成了第一个较完整的土弹塑性模型，标志着土的本构 理论发展的新阶段的开始。 2 0 世纪7 0 年代，d i m a g 百。和s a n d i e r 提出了帽盖模型，它在概念上非常类 似于临界状态模型，硬化参量也假设是塑性体积应变。帽盖模型能够恰当地拟合 多种加载途径下的试验资料，如实地描述地质材料的主要性状，可以广泛地用于 不同目的，具有较强的适应性与灵活性，所以近年来获得了广泛的发展和应用。 各种类型的各向同性硬化弹塑性模型，它们之间的差异主要反映在屈服准则、硬 化参量和流动规则等方面。这类模型主要用来模拟地质材料对单调加载的响应。 它们的共同缺点是不能描述土在循环荷载条件下的基本属性 为了描述材料对循环荷载的响应，除了在上述弹塑性模型的基础上研究新的 随动强化规律外，1 w a a ( 1 9 6 7 ) 、m r o z ( 1 9 6 7 ) 提出了多重屈服面弹塑性模型。 p r e v o s t ( 1 9 7 7 ) 采用多重屈服面的概念提出了不排水条件下粘土的本构模型。之 后，又将此模型推广用于研究排水条件下土的性质。多重屈服面模型虽未跳出经 典塑性力学的框架，但可以估计土的各向异性，并且这种依赖于应力轨迹的弹塑 性应力应变关系还可以估算卸载和重新加载的影响，模拟单调加载和循环加载 条件下土的性状。这类模型的主要缺点是参数的个数太多，难以应用于具体的工 程实践中。 6 第一章绪论 7 0 年代中，d a f a l i a s 和p m v o s t 提出了边界面模型。后来m r o z 、n o r r i s 和 z i e n k i e w w i e z 又发展了双曲面的各向异性硬化模型。相比于多重屈服面模型，边 界面模型无需记忆多个屈服面的位置和大小，相对比较简单，但模型中塑性模量 插值规则的选择比较困难。8 0 年代，d e s a i 等提出了模拟应力引起的各向异性材 料的本构模型，在该模型中，屈服面不但大小可以变化，而且能移动、改变形状 和方位( 旋转) ，从而来描述应力引起的各向异性，但是这种模型的复杂性也是 显而易见的。 从6 0 年代开始，对土的弹塑性本构模型的研究已经成长为一门独立的力学 学科岩土塑性力学，该学科的研究属于广义塑性理论的体制，相对于经典的 塑性力学而言，岩土类地质材料的塑性理论只是一种广义的塑性理论，传统的金 属材料塑性理论只是其中的一个特例。 近年来，在土的本构行为的研究方面，还出现了一些其他类型本构模型4 “， 如建立在不可逆热力学基础上的内时本构理论1 ；弹塑性蠕变一损伤统一本构 理论模型；以及利用人工神经网络学习和识别大样本的试验数据而形成的新型 人工神经网络本构模型例等。这类模型和传统的岩土弹塑性本构模型一样，需要 结合大量的工程实例来检验和发展其理论。 目前，土体与结构相互作用的分析，主要采用整体数值分析法，因为该法能 够综合考虑土体的非线性及多相系的瞬态问题。整体分析的关键是两种介质相互 作用界面上的接触问题。通常，在土与结构接触界面上构造各种不同形式的界面 单元来模拟两者相互作用的力学行为，即在两接触材料的界面处引入一类“粘连 单元”，通过选择和迭代来调整这类单元的性质参数以近似模拟界面的力学行为。 在分析土与结构相互作用时，界面力学行为研究包括两个方面：一是接触面上的 本构行为，尤其是剪应力与剪切变形之间的关系：另一方面是接触面单元这种特 殊单元本身。国内外的学者g o o d m a n 、z i e n k i e w i c z 洲、g h a b o u s s i 、k a t o n a 、 h e r r m a n n 、i s e n b e r g 、k a u s e l 、d e s a i 删、殷宗泽等删，都针对这两方面做 了大量的研究工作。其中无厚度g o o d m a n 单元，d e s a i 薄层单元以及殷宗泽有厚 度接触面单元使用最为广泛。无厚度g o o d m a n 单元考虑了两相介质接触面间的单 元不连续性，建立了应力( 或力) 与相对位移之间的关系，这种方法简单明确， 但存在数值病态、接触面嵌入等问题。d e s a i 薄层单元通过节点位移插值构造单 7 盟匿盔堂监堂僮监塞 靠墅燮焦圭翅亘佳旦盆蚯厘瘴羞互壅廑班宜 元位移场，认为两相介质接触面间的位移有某种连续性，建立应力应变关系，这 种方法虽然克服了无厚度g o o d m a n 单元的接触面嵌入问题，但其刚度和模量的取 值都有很大的经验性。殷宗泽有厚度接触面单元对接触面单元的本构假设更具合 理性，但是还不能从根本上克服模型本身的几何形态问题。另外，这些接触面单 元都没有考虑到柔性结构与周围土体之间的转角位移协调。 水平荷载作用下桩的工作性状十分复杂“”。长期以来国内外学者对水平荷载 下桩基的工作性状研究得较多，而对于侧向或水平循环荷载下桩土相互作用的研 究则较少。 在国外，对于桩基受水平荷载下的工作性状的研究起步较早。m a t l o c k 于 1 9 7 0 年发表了推求水平荷载作用下饱和软粘土的p y 曲线方法。1 9 7 4 年，美国 学者r e e s e 和c o x 通过对埋入砂土中的钢管桩进行的水平荷载试验，提出了砂 土中的p - y 曲线确定方法。该法已经被美国a p i 规范采用，现已改进后在各 国得以普遍使用。p - y 曲线方法的精髓在于与实测结果相结合，河海大学和同济 大学根据不同的现场试桩资料，提出了适用于粘性土的确定方法，在工程中得到 了应用，总体上与试桩的结果较接近。 1 9 8 0 年d o w s o n 通过对侧面循环荷载下海岸桩基的分析，提出了在循环荷 载下砂土中的抗力或抗力强度计算公式。在接着的几年，国外的另几位学者相继 进行了横向循环荷载对桩的响应研究，发现双向循环加载比单向循环加载对降低 桩的承载力和刚度效应更为明显“o ，而作用频繁的动荷载及其引起的快速加载则 有提高桩基的承载力和刚度的趋势。因此，在确定桩对横向循环荷载的响应时必 须探讨循环荷载的降低效应和加载速率的提高效应。他们认为当荷载循环次数增 多时，横向受荷桩的扰度有所增大由两种原因造成：首先是埋置在弹塑性土体中 的桩会因为循环次数的不断增多而积累有残余变形，当这种变形稳定时就会发生 桩的“震荡”破坏。其次由于土体本身在循环荷载下降低了压缩性和强度，这被 称为是循环下的“土退化”在国内，这一问题已随着大型桥梁和港口建设事业 的迅猛发展而引起了工程界与学术界的广泛关注。1 9 8 7 年南京水利科学研究院 对饱和砂土中桩基的受力及其变位进行了单向循环与双向循环水平荷载下的模 型试验。他们从双向循环荷载试验得知：2 0 次循环后水平刚度有一定的提高， 当外荷载频率与体系的基频十分接近时，土的刚度退化程度达到最大值，这表明 8 第一章绪论 土的侧向动刚度随着外力的增长而退化，土的水平刚度与频率有密切关系。 从物理意义上，桩的荷载传递机理是清楚的，但相应的数学问题是复杂的， 必须着手研究桩土系统的弹塑性问题。早在1 9 6 6 年，c o y l ea n dr e e s e 就将桩 体分段按完全弹性原理去分析荷载传递特性；1 9 7 7 年，d e s a ia n dc h r i s t i a n 首 先报道了应用有限元法去分析桩变形位移的工作成果；1 9 7 8 年，r a n d o l p ha n d w r o t h 介绍了用m i n d l i n 方程求土位移的弹性理论分析法。随着计算机技术的广 泛应用，人们常用数值分析法去研究桩上的受力位移情况，但由于数值分析法的 参数设置较复杂，各物理量与计算结果的关系不够直观，给系统性研究带来不便。 关于桩土共同作用的分析”，p o u l o s 提出以m i n d i n 解答为基础的弹性积 分法，对桩受力变形特性进行了大量的分析研究，他在第十届国际土力学及基础 工程会议上作了土和结构物共同作用的总报告楫叼，p r i c e 等人1 9 8 6 年利用共同 作用原理对高层建筑桩筏基础作了设计尝试。r a n d o l o n 和c o o k 提出剪切变形传 递法应用于桩土分析，但是上述方法只适合于均质土中，而实际工程中，桩往往 置于层状土中；地基反力系数法把土体对桩的反力作用等复杂因素通过文克尔假 定，简化成单纯的反力系数作用于桩上；而其它的几种塑性理论或极限理论，也 是要