（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）桩土相互作用的海洋平台动力响应研究.pdf

摘要 随着海洋技术的发展 各种用途的海洋平台越来越多地出现在环境恶劣的深海中 无论是在正常海况还是在极限海况 即使强度足够 在风 浪 流等环境载荷的作用下 平台都有可能产生过大的振动响应 过大的振动将会危害人员身心健康 威胁结构安全 降低平台设备的精确性和可靠性 削弱平台的适应性和生存性能 因此有效地简化平台 模型 预报平台的动力响应就显得非常重要 由于自升式和导管架海洋平台的桩腿是插入复杂的 体当中的 因此桩一土动力相 互作用将会对海洋平台动力特性产生不可忽视的影响 在以往的计算中 为了简化计算 常常将桩腿的下部模拟为刚性固定端 这样的简化过于简单 在计算固有频率和响应时 引起较大误差 本文利用最小势能原理讨论了桩入土的深度对平台结构的固有频率的影 响 论证了固支模型的不合理性 有此进一步说明在对海洋平台进行动力特性分析时 应合理的考虑土的埋深及桩 土的相互作用 抛弃圆支模型 论文对考虑桩一土动力相互作用的海洋平台简化模型的动力响应进行了深入的研 究 通过将平台桩腿模拟成w i n l d e r 弹性地基梁 将土层对平台桩腿的耦合作用转化为 沿桩腿连续分布的线弹性弹簧和依赖频率的阻尼器来表示 利用等效抗弯刚度原则将整 个导管架平台等效为变截面的平面梁 建立了土中 水中和空气中的控制微分方程 采 用解析法计算了等效模型在简谐激励力作用下的位移响应 分析了桩一土的刚度比对平 台动力特性的影响 结果表明随着桩士刚度比的增大 平台的位移响应明显增加 有此 判断土的性质对平台的动力特性起着至关重要的作用 平台顶部的集中质量对平台动力 特性的影响也较为突出 通过与三维有限元模型的比较可知 在平台设计初期可以用等 效模型来计算低阶动力响应 随后在均匀土中解的基础上 推导了成层土中的解 并计 算了在瑞利波作用下简化平台桩的横向远场地震响应 得到了一些有益的结论 关键词 海洋平台 振动响应 等效模型 桩一土相互作用 姜琳 桩一土相互作用的海洋平台振动响应研究 s t u d yo nd y n a m i cr e s p o n s eo fp i l e s o i li n t e r a c t i o no f f s h o r ep l a t f o r m s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo c e a nt e c h n o l o g y m o r ea n dm o r ee x t r e m e l yl a r g ea n dl o n g f l e x i b l eo f f s h o r ep l a t f o r m su s e df o rv a r i o u sp u r p o s e sa r eb u i l ti nh o s t i l eo c e a ne n v i r o n m e n t s o f f s h o r ep l a t f o r m sb r ev e r yc o m p l e xa n dt h ee x t e r n a lw a v ef o r c eo nt h ep l a t f o r mi su n c e r t a i n t h u s t h e s ep l a t f o r m sa r ep r o n et oe x c e s s i v ew a v e i n d u e do s c i l l a t i o n su n d e rb o t ho p e r a t i n g a n de x t r e m ec o n d i t i o n s i tr e s u l t si ni n j u r yo fh u m a nh e a l t h s t r u c t u r a lf a t i g u ea n df a i l u r e r e d u c i n gt h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ee q u i p m e n t so nt h ep l a t f o r m s l o w e r i n gt h e s e r v i c e a b i l i wa n ds u r v i v a lo ft h ep l a t f o r m s h e n c e t h ed u r a b i l i t yo ft h ee q u i p m e n t sa n dt h e s a f e t yf o rt h es t r u c t a l 他s i ti se s s e n t i a lt op r e d i g e s tp l a t f o r m sa n dp r e d i c tt h ed y n a m i cr e s p o n s e e f f e c t i v e l y p i l e l e g so ff i x e da n dj a c k e tp l a t f o r ma r eu s u a l l ye m b e d d e di nc o m p l i c a t e ds o i l ss ot h a t p i l e s o i li n t e r a c t i o nw i l ls t r o n g l ya f f e c tt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h eo f f s h o r ep l a t f o r m s i nt h ep a s t am o d e lo ff i x e ds u p p o r ta ta d e p t ho fs i xl i m e st h ep i l el e gd i a m e t e rh a sb e e n c o m m o n l yu s e dt oa n a l y z et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep l a f f o r m st h a tm a y b em a k eb i g e r r o r s i nt h i sp a p e r a ne f f e c tc o e f f i c i e n td e t e r m i n e db yt h ed e p t ho fp i l e l e ge m b e d d i n gi s c a l c u l a t e db yu s i n ge n e r g ym e t h o d t h i sf i n d i n gd e m o n s t r a t e st h a tu n d e rm o s tc o n d i t i o n st h e u s u a lf i x e ds u p p o r tm o d e li su n r e a s o n a b l et h a ts h o u l db cg i v e nu p t h ed y n a m i cr e s p o n s eo fs i m p l i f i e do f f s h o r ep l a t f o r m sc o n s i d e r i n gt h es o i l s t r u c t u r e i n t e r a c t i o ni ss t u d i e d t h ep i l e so ft h ep l a t f o r m sa r em o d e l e da sd y n a m i cw m l d e rb e a m s e m b e d d e di na d e e ph o m o g e n e o u ss t r a t u mt h r o u g hc o n t i n u o u s l yd i s t r i b u t c dl i n e a rs p r i n g sa n d f r e q u e n c y d e p e n d e n td a s h p o t s b a s e do ne q u i v a l e n ti n e r t i a lm o m e m p l a t f o r m sa r ee q u i v a l e n t t ov a r i a t i o n a lc r o s s s e c t i o nw i n k l e r b e a m s t h eg o v e r n i n ge q u i l i b r i u me q u a t i o n sp i l e s o i l s l r u c t u r e w a t e ra n ds t r u c t u r e a i ra r eg i v e n a n a l y t i c a ls o l u t i o n sa r ed e v e l o p e df o rh a r m o m c f o r c ei np l a t f o r m sl a t e r a l l yo s c i l l a t i n gp i l ee m b e d d e di n l a y e r so fh o m o g e n e o u ss o i la n d e x c i t e da ts e al e v e l t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ci n f l u e n c e db yt h er a t i oo fp i l es t i f f n e s st os o i l s t i f f n e s si ss t u d i e d i tc a nb ef o u n dt h a tb o t hp i l e s o i li n t e r a c t i o na n dt h e l a s s e so nt h et o po f p l a t f o r m sw i l ls t r o n g l ya f f e c tt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s c o m p a r e dw i t ht h eu s u a l t h r e e d i m e n s i o n a lf e mm o d e l t h i ss t u d yd e m o n s t r a t e st h a ta ne q u i v a l e n tm o d e lc a nb eu s e d t oa n a l y s i sd y n 砌cc h a r a c t e r i s t i c 砒t h ei n i t i a ls t a g e t h ea n a l y t i c a ls o l u t i o no fp i l ed y n a m i c r e s p o n s ei nl a y e r e ds o i l s1 1 l a d eb yf a rf i e l de a r t h q u a k ek a y l e i g h c o n c l u s i o no f r i d sp a p e rm a yb em 蛐g f u lt ot h ef a c t u a ls t r u c t u r e s k e yw o r d s o f f s h o r ep l a t f o r m d y n a m i cr e s p o n s ee q u i v a l e n tm o d e l p i l e s o i l i n t e r a e t i o n 独创性说明 作者郑重声明 本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果 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的研究成果 也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料 与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名 e l 期 翌坚 氛 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解 大连理工大学硕士 博士学位论文版权使用 规定 同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版 允许论文被查阅和借阅 本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索 也可采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文 作者签名 d 纵 导师签名 叁丝 缁 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 引言 1 1 本文的研究背景及意义 众所周知 深海石油 天然气资源的开发前景十分广阔 随着社会经济的高速发展 世界各国都把关注的目光投向了广阔的海洋 建造了大量的海洋平台 自从二十世纪四 十年代第一座海洋平台在墨西哥湾建成投产以来 在世界各个海域建成的不同形式的平 台已有1 0 0 0 0 余座 海洋平台作为海洋资源开发的基础性设施 海上生产生活的基地l i j 会时时刻刻受到风 浪 流 冰和地震等环境载荷的作用 在长期的恶劣环境条件下 环境腐蚀 海洋物附着 地基土冲刷和基础动力软化 材料老化 构件缺陷和机械损伤 以及疲劳 裂纹扩展的损伤积累等不利因素都将导致平台结构构件和整体抗力的衰减 并会影响到平台得安全和耐久性 海洋平台结构复杂 体积庞大 造价昂贵 而且长期在十分险恶的环境下工作 这 对相应的勘探 开采技术装备的设计和使用提出了更高的要求 其中的决定性因素有两 个 其一是技术性要求 即在深海恶劣的环境下 技术装备的总体性能必须满足工作状 态下的正常作业要求以及极限状态安全性的要求 其二是深海技术装备应当具有较好的 经济性 相对较低的成本才能有利于回收成本和取得较好的经济效益 过去人们对于环境的复杂性和随机性认识的不充分 历史上曾经有多次海洋平台的 事故 造成了重大的经济损失和人员伤亡翻 1 9 6 5 年英国北海 d i a m o n d 号钻井平台 支柱拉杆脆性断裂导致平台沉没 1 9 6 8 年 r o w l a n d h o r n 号钻井平台事故 1 9 6 9 年我 国渤海二号平台被海冰推倒 造成直接经济损失2 0 0 0 多万元 1 9 8 0 年英国北海e k o f i s k 油田 a l e x a n d e rl k i e l l a n d 号五腿钻井平台发生倾覆 导致1 2 2 人丧生的惨剧 2 0 0 1 年巴西油田的p 3 6 平台发生倾覆 这些惨痛的教训给海洋资源开发以很大的瞀示 同 时也促使国内外专家学者努力研究海洋平台的安全问题 大多数的平台都属于柔性结构 这些大型柔性海洋平台一般表现为以下特征 1 固有频率低 且低频模态密集 2 本质上的分布参数系统 具有强耦台性和非线性 3 结构复杂 参数易变 所受荷载具有不确定性 对于这些大型柔性结构而言 即 使强度足够 但是在风浪流等动载荷的作用下 仍然会产生过大的振动响应 影响工作 人员的身心健康 导致结构的疲劳和破坏 降低平台的适用性和生存性能 从而给生产 生活带来极大的危害 有此可见研究海洋结构物的动力响应是十分必要的 姜琳 桩一土相互作用的海洋平台振动响应研究 在进行动力分析之前 一般会先考虑到结构可能遭受的环境荷载 海洋平台所处的 环境非常恶劣而且比较复杂 通常会受到各种风 浪 流 冰和地震等荷载的作用 在 众多的荷载中以波浪和地震产生的荷载对结构的影响比较突出 其余荷载作用所占比重 较小 在计算动力分析时可以不予考虑 而且这样的简化对结果的影响不大 在对海洋 平台进行动力响应分析时 通常利用三维有限元模型来模拟平台 这样虽然计算比较准 确 但是由于结构的复杂 自由度的增多 计算量明显增大 因此如何准确简化平台模 型 快速预报海洋平台的动力响应是就显得更为重要了 而桩一土相互作用在海洋平台 振动响应分析时起着瓶颈的作用 因此 合理考虑桩一土相互作用 提高平台的安全与 可靠性具有重要实际意义 1 2 桩一土相互作用的研究现状 1 2 1 桩一土动力相互作用研究概述 桩一土动力相互作用 p i l e s o i li n t v r a c t i o n 是土动力学与结构动力学的交叉学科 3 桩一土动力相互作用问题的实质就是研究土对工程结构物动力特性和振动响应的影响 土一结构相互作用研究大致经历了三个阶段 第一个阶段是二十世纪初到六十年代中 期 这段时间是理论准备时期 主要研究循环载荷在不同基础情况下的解析解 第二个 阶段是六十年代中期到八十年代中期 这一时期不但在理论方面进一步完善 而且在计 算方面也得到了较大的提高 能够分析较为复杂的结构与基础之间的相互作用 考虑各 种条件的分析方法相继出现 并且在各自的领域内得到合理的解释 第三个阶段是在八 十年代中期以后 这一时期的研究进一步深化 各种更为精确更为实用的方法得到了发 展 并逐渐向三维分析过渡 而且非线性分析逐渐成为研究的主流方向 同时各种试验 及观测也得到了广泛的应用 1 2 2 桩一土动力相互作用研究方法及现状 关于桩一土动力相互作用是一个相当复杂的问题 因为必须考虑桩一土的共同工作 即二者需要同时满足动力平衡条件和变形协调条件 4 1 桩一土相互作用经过多年的研究 和试验 现在已经得到了相当的发展 研究方法大致可以分为三类 理论方法 模型试 验 原型测试 大连理工大学硕士研究生学位论文 i 2 2 1 理论方法 目前有关桩一土相互作用的理论模型有动力w m k l e r 地基梁模型 连续弹性动力模型 和有限元模型等 这些理论都是基于桩周土体被如何模拟而分类的 而正确模拟土的形 态并有效的计算其对结构物响应的影响是桩一土相互作用问题中最基本的课题之一 1 动力w i n e l 地基梁模型 今天的动力w i n k l e r 梁模型是由最简单的线弹性嗍e r 地基梁模型 1 8 6 7 发展而 来的 在此模型中桩周土体被模拟成为相互独立的弹簧和阻尼器 进而桩体被离散为若 干个单元的弹性地基梁 而该模型的关键就是在于弹簧的刚度系数和阻尼器的阻尼系数 的确定 n o v a k 1 9 7 4 驿 得出了粘弹性介质中近似的弹簧和阻尼系数 并在动力分析中 得到了较理想的结果 o a z e t a s d o b r y 1 9 8 4 6 8 等人发现桩头的边界条件对响应的影 响比较大 并给出了经验表达式 对于桩头约束转角的情况 七 z 1 o 1 2 e j z 1 1 对于桩头自由的情况 七 z 1 5 2 5 e 力 1 2 式中 e 为土体随深度变化的弹性模量 土中能量的消耗包括两部分 其一是在周期载荷作用下 由于土体自身的非线性以 及粘弹性造成能量的耗散 主要发生在紧靠桩腿的土中 称之为粘滞阻尼 材料阻尼 另一部分是由于弹性应力波自桩腿处向外传播 而产生的辐射能量耗散 因而称之为辐 射阻尼 几何阻尼 因此阻尼系数可以写成如下形式 c x 婶x r 晡i 口l l o q 七u x b s c e m b 删卟时4 a o u 4 2 f l 等 式中 见为土体密度 以为剪切波速 吐埘 k 为无量纲频率 d 为桩的直径 口o c o d f 屹 丽3 4 1 一一 其中屹为土体泊松比 1 3 屈为滞后阻尼系数 为平台振动频率 1 4 1 5 当泊松比等于o 4 时 吃 1 8 k 这样阻尼系数可以简化为 姜琳 桩一土相互作用的海洋平台振动响应研究 0 6 a o u p t 2 屈墨 1 6 o j 当土体的辐射阻尼很小时可以忽略第一项 因此土体的阻尼系数可以进一步简化为 巳 删 2 屈詈 1 7 n o g a m i 等 1 9 8 8 9 假定桩为均匀的圆截面 桩土在动力荷载的作用下其接触面 不发生分离 并采用传递矩阵法求得了桩基的水平动力响应 此后 n o g a m i 等 1 9 9 2 1 0 1 又提出了一种非线性桩一土相互作用模型 如图1 1 所示 该模型用近场和远场两种单元 来模拟桩周围的土体 即把桩周土划为近区和远区两部分 近场单元主要反映土体的非 线性 弹簧的刚度系数由循环荷载条件下的p y 曲线确定 阻尼系数由土体的滞回骨架 曲线确定 远场单元则表示土体的弹性特征 因此该模型合理的体现了桩一土系统的非 线性 m f i r f 饿l i r r l r 越l蛔辑棚1 融 f l d d 图1 1 非线性桩土相互作用模型 f i g 1 1n o n l i n e a rp i l e s o i li n t e r a c t i o nm o d e l 动力w i n k l e r 梁模型虽然是一种近似的方法 但是它的力学原理明确 模型简单 能够体现土体沿深度的变化 与有限元方法相比运算量大大降低 因此该模型被广大的 4 大连理工大学硕士研究生学位论文 学者和工程设计人员所青睐 而确定弹簧剐度和阻尼常数以及参振土体的体积是动力 w i n k l e r 梁模型的关键所在 1 1 此外 模型中没有考虑结构受力时桩一土界面产生滑移破 坏等 因此有一定的局限性 还有待于进一步的发展和完善 2 连续弹性动力模型 连续弹性动力模型是利用在剪切波作用下土层的位移来表示土的水平动压力 n o v a k 等 1 9 7 7 1 2 基于三维连续体模型得到了弹性单桩动力响应解 其假设在水平振 动时桩土界面无相对滑动 不发生竖向位移 土体为粘弹性材料 阻尼为常数 且为简 谐运动 由于诸多的假设使得这种解析解不能给出满意的结果 n o v a k 等 1 9 7 8 l 又 以平面应变为条件 给出了均匀线弹性土层的动反力解析解 并考虑了土的材料阻尼 系统分析了在所有振动模态下土的动力复刚度 虽然在数学上是精确的 但他们采用平 面应变假设 只试用于刚性柱体在无限介质中的情况 而对于弹性柱体则不能给出实际 的解答 n o v a k 14 1 9 8 0 基于三维连续体模型 给出了土的动反力进一步的精确解答 在 此基础上t a k e m i y a 应用传递矩阵法分析了桩的水平还有垂向振动 得到了比较好的结 果 n i e l s e n 1 9 8 3 在基本方程中考虑了桩的竖向位移 给出土反力 并分析得知土 的水平动反力取决于激励频率 桩长细比以及土层参数等 此后又有许多学者 在该模型的基础上进行了大量的研究 使得该模型取得了一定的 进展 该模型能正确的表示几何阻尼和土层共振现象 能体现桩 土相互作用的机理 这种近似的土模型在弹性范围内的动力分析得到了比较理想的效果 但是正是由于受到 弹性假设的限制 对于桩 士界面的非线性及滑移等情况此模型却不能给出满意的解答 3 有限元模型 近年来 有限元法作为一种数值方法被广泛的应用于桩 土结构相互作用分析中 有限元法的一个突出的优点就是能较好的描述土中应力波的传播以及土体的非线性特 征 n o v a k 1 9 8 0 t 提出了一种边界层模型 在桩周围假设存在圆环柱状削弱区 土 在区内外有着不同的力学性质 通过调整区内土的厚度 剪切模量和阻尼来近似模拟土 的非线性 a n g e l i d e s 等 1 9 8 1 t 研究了在侧向循环荷载作用于桩头条件下土体的非线 性对桩的动力响应的影响 他采用一种等效线性化技术来估计土性随应变的变化 韩英 才和n o v a k 1 9 9 2 t 1 采用边界层模型分析了群桩在强烈水平激励作用下的动力反应 研究结果表明 在强烈水平激励作用下 桩的动力反映呈现典型的非线性特征 桩的刚 姜琳 桩一土相互作用的海洋平台振动响应研究 度和阻尼随激振强度的增加而减小 同时在循环荷载作用下 桩周土产生了松动和脱离 导致桩的刚度和阻尼均降低 c a i 等 1 9 9 4 1 9 1 开发了一个采用基于土的塑性本构模型的 三维有限元子系统方法 其中桩 土均被离散为八节点六面体单元 赵振东等 1 9 9 7 t 2 借助于三维显式有限元程序d y n a 3 d 研究在桩头作用有侧向脉冲式动载时桩 土系统的 非线性动力性能 在分析中采用滑移界面单元来模拟桩 土之间的分离 土体被模拟成 弹塑性材料 计算结果表明 桩的振动是一个复杂的连续发展过程 横截面的运动状态 基本以不断减小的幅值向下传播 桩 土之间滑移分离也以不断减小的幅值连续向下传 播 桩头约束条件和桩 土系统上部距地表一定深度内的材料特性控制着系统的侧向动 力性能 而桩长对此影响不大 金伟良等 2 0 0 2 t 2 则通过采用修正的p y 曲线模式 分析土体塑性交形在振动过程中导致桩 土脱开现象 给出了相应的数值方法 得到了 桩基振动过程中脱开的区域 并分析了桩 土之间的脱开对桩基动力响应的影响 用有限元模型对土体进行非线性分析的关键在于建立土体的动力本构模型 土的动 力本构模型主要包括弹性模型 r h o o k e 模型 粘性模型 i n e w t o n 模型 塑性 模型 s t v c n a n t 模型 粘弹性模型 l o r d k e l v i n w v o i g t 模型 粘塑性模型 b i n g h a m 模型 弹塑性模型 e p 模型 以及双线性模型等i 捌 目前在计算中粘弹 性和弹塑性模型占主流 而不论选取何种模型都应该考虑其能否真实有效的反映给定环 境下土的物理力学特征 除了上述方法外 有限差分法 边界元法的应用也为各种复杂工程结构物考虑桩土 的相互作用带来了方便 有限元法便于处理不规则场问题 而边界元法对无限问题的处 理十分方便 国外学者 2 3 珊 将两种方法综合运用 使得土 结构相互作用的求解范围进 一步扩大 利用数值离散的方法可以处理包括 基础形状 埋深 地基分离 地基分布 不均匀 土层的非线性 建筑物的塑性变形以及相邻建筑物的影响等问题 1 2 2 2 模型试验 模型试验 2 9 1 主要是对于地基土的物理力学性质进行测量 以确定理论分析模型的参 数 在土一结构动力相互作用分析中具有举足轻重的地位 但是验证土一结构动力相互 作用的理论模型方面的研究并不是很多 土一结构动力相互作用问题的研究中 最大的 困难就是缺乏必要的实测数据 因而使得土一结构动力相互作用存在着许多不确定性 限制了其在实际工程设计中的应用 因此 进行模型试验验证就成为一种非常重要的研 究方法 模型试验包括小比例尺模型和大比例尺模型的现场试验 小比例尺模型的实验 室试验的优点是简单易行 但有时候并不能完全反映整个土质的情况 具有一定的局限 大连理工大学硕士研究生学位论文 性 大比例尺模型的现场试验需要花费大量的人力 物力和财力 因此有效合理的确定 土质参数是工程师最关心的问题 1 2 2 3 原型测试 原型测试近年来得到了一定的发展 对于海洋平台来说 在横向载荷的作用下 桩 一土相互作用不仅改变了平台结构系统的刚度 而且由于粘滞阻尼与辐射阻尼的存在导 致了能量的耗散 土的动力特性 土层的厚度 土层的排列顺序以及基础的形式与桩腿 埋置深度等随机因素都会影响平台的动力特性 因此 对于处在柔性地基上的海洋平台 在计算平台固有特性与动态响应时考虑土与结构的动力相互作用是非常必要的 研究海 洋平台土一结构动力相互作用的规律性 提高平台的安全性与可靠性 探索海洋平台土 一结构联合设计的新方法是当前海洋工程亟待解决的问题 这个方面的研究具有深远的 理论意义与工程价值 1 3 论文的主要研究内容 第一章是绪论 阐述了本文研究的意义 总结了国内外桩一土动力相互作用的研究 现状和研究方法 最后对本文所完成的主要工作以及章节的安排进行了介绍 第二章简要介绍了土的动应力应变关系特点 然后介绍几种有代表性的土的动力计 算模型 为此后的工作打下了坚实的基础 通过分析可知 对于不同的结构以及受载形 式 应该合理的采用土体本构模型 在计算桩一土相互作用的结构动力响应时 当激励 频率比较低土体可以作为线弹性模型来处理 而当激励频率较高 例如近场地震荷载 应考虑土体的塑性本构关系 本章最后给出的算例表明在计算某些结构的动力响应时 采用土体为线性模型会带来一定的误差 求得结果偏大 是实际响应的上限值 但对工 程应用来说具有一定的参考价值 第三章在探讨六倍桩径固支模型应用范围的基础上 利用最小势能原理论证了考虑 桩一土相互作用时 桩入土的深度对平台结构的固有频率的影响 并以第四章平台为例 讨论了固支模型的不合理性 因此 在对海洋平台动力特性进行分析时 应合理的考虑 桩 土的相互作用 第四章利用等效抗弯剐度原理将整个导管架平台等效为平面梁 建立了土中 水中 和空气中的控制微分方程 采用解析法计算了等效模型在简谐激励力作用下的位移响 应 分析了桩土的刚度比对平台动力特性的影响 结果表明随着桩土刚度比的增大 平 台的位移响应明显增加 因此土的性质对平台的动力特性起着至关重要的作用 平台顶 差琳 桩一土相互作用的海洋平台振动响应研究 部的集中质量对平台动力特性的影响也较为突出 通过与三维有限元模型的比较可知 在平台设计初期可以用等效模型计算平台的低阶动力响应 第五章在均匀土中解的基础上 推导了成层土中的解 计算了在瑞利波作用下等效 桩的横向地震响应 讨论了地土性质 地震加速度 桩顶约束条件以及平台上部结构质 量等的变化对平台振动特性的影响 为实际工程提供了一定的参考价值 第六章全面总结了本文的研究成果 并对论文中尚需进一步研究的问题进行了探 讨 并对本课题的进一步研究作以展望 参考文献 1 金伟良 海洋工程中的若干力学问题 科技通报 1 9 9 7 1 3 2 8 6 9 2 2 罗传信等海洋桩基平台天津 天津大学出版社 1 9 8 8 3 j e 鲍尔斯著胡人礼 陈太平译基础工程结构分析及程序 北京 中国铁道出版社 1 9 8 2 4 卢成原 胡瑞华 考虑群桩效应的海洋平台桩一土一结构共同工作研究 海洋工程 1 9 9 6 1 4 1 9 1 5 5 n o v a km d y n a m i cs t i f f n e s sa n dd a m p i n go fp i l e c a ng e o t e c h i c a lj 1 9 7 4 1 1 4 5 7 4 5 9 8 6 g a z e t a sg d o b r yr s i m p l er a d i a t i o nd a m p i n gm o d e lf o rp i l e sa n df o o t i n g s j o u r n a lo f e n g i n e e r i n gm e c h a n i c s 1 9 8 3 l l o 6 9 3 7 9 5 6 7 g a z e t a sg s e i s m i cr e s p o n s eo fe n d b e a r i n gs i n g l ep i l e s s o i ld y n a m i c sa n de a r t h q u a k e e n g i n e e r i n g 1 9 8 4 3 2 8 2 9 3 8 g a z e t a sg d o b r yr h o r i z o n t a lr e s p o n s eo fp i l e si nl a y e r e ds o i l s j o u r n a lo f g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g 1 9 8 4 1 1 0 1 2 0 4 0 9 n o g a m it k o n g a iz t i m ed o m a i nf l e x u r a lr e s p o n s eo fd y n a m i c a l l yl o a d e dp i l e s j o u r n a l o fe n g i n e e r i n gm e c h a n i c s 1 9 8 8 1 1 4 1 5 i 1 0 n o g a m it o t a n i j k o n a g a i k t h e nh c n o n l i n e a rs o i 卜p i l ei n t e r a c t i o nf o r d y n a m i cl a t e r a lm o t i o n j o u r n a lo fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g 1 9 9 2 1 1 8 1 8 9 1 0 6 1 1 肖晓春 林皋迟世春桩土结构动力相互作用的分析模型与方法 世界地震工程 2 0 0 2 1 8 4 1 2 3 1 2 8 1 2 n o v a km n o g a m its o i l p i l ei n t e r a c t i o ni nh o r i z o n t a lv i b r a t i o n e a r t h q u a k e e n g i n e e r i n ga n ds t r u c t u r a ld y n a m i c 1 9 7 7 5 3 2 6 3 2 8 1 1 3 n o v a km n o g a m it d y n a m i c ss o ilr e a c t i o nf o rp l a n es t r a i nc a s e j o u r n a lo fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c s 1 9 7 8 1 0 4 4 9 5 3 9 5 9 1 4 t a k e m i y ah y a m a d ay l a y e r e ds o i l p i l e s t r u c t u r ed y n a m i ci n t e r a c t i o na n a l y s i s j o u r n a lo fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g 1 9 8 1 4 3 7 4 5 7 8 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 5 n i e l s e nm t r e s i s t a n c eo fas o i ll a y e rt oah o r i z o n t a lv i b r a t i o no fap i l e e a r t h q u a k e e n g i n e e r i n ga n ds t r u c t u r ed y n a m i c s 1 9 8 2 4 9 7 5 1 0 1 6 n o v a km s h e t am a p p r o x i m a t ea p p r o a c ht oe f f e c t so fp i l e s p r o c o fd y n a m i cr e s p o n s e o fp l i ef o u n d a t i o n a n a l y t i c a la s p e c t s 1 9 8 0 1 7 a n g e l i d e sd r o e s s e tj m n o n l i n e a rn o n l i n e a rd y n a m i cs t i f f n e s so fp i l e s j o u r n a l o fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g 1 9 8 1 1 4 4 3 1 4 6 0 1 8 韩英才 m n o v a k 水平荷载作用下群桩动力特性 土木工程学报 1 9 8 9 2 5 5 2 4 3 3 1 9 c a iyx g o u l dp la n dd e s a ics t h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f s o i l 一d i l e s t r u c t t i r es y s t e m p r o c o fi n t c o n f o nc o m p u t a t i o nm e t h o d s i ns t r u c t a n d g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g h o n g k o n g 1 9 9 4 2 6 1 2 6 6 2 0 赵振东傅铁铭土岐宪三桩头侧向集中荷载作用下桩土系统的非线性动力性能分析地震工 程与工程振动 1 9 9 7 1 7 3 1 0 0 1 0 9 2 1 金伟良 宋志刚 水平循环荷载作用下单桩动力特性的数值模拟海洋工程 2 0 0 3 2 1 1 1 3 1 8 2 2 王杰贤 动力地基与基础 北京 科学出版杜 2 0 0 1 2 3 p l o u l o sh gb e a h a v i o ro fl a t e r a l l yl o a d e dp i l e s i i p l i e sg r o u p s j o u r n a lo ft h es o i l m e c h a n i c sa n df o u n d a t i o nd i v i s i o n a s c e 7 3 3 7 5 1 2 4 k a y n i aa m k a u s e le d y n a m i co fp i l e sa n dp i l eg r o u p si nl a y e r e ds o i lm e d i a s o i l d y n a m i ca n de a r t h q u a k ee n g i n e e r i n g 1 9 9 1 3 8 6 4 0 1 2 5 d o b r yr g a z e t a sg s i m p l em e t h o df o rd y n a m i cs t i f f n e s sa n dd a m p i n go ff l o a t i n gp il e g r o u p s j o u r n a lo fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g 1 9 8 8 5 5 7 5 7 4 2 6 m a k r i sn g a z e t a sg d y n a m i cp i l e s o i l p i l ei n t e r a c t i o n e a r t h q u a k ee n g i n e e r i n ga n d s t r u c t u r ed y n a m i c s 1 9 9 2 1 4 5 1 6 2 2 7 m y l o n a k l sg g a z e t a sgl a t e r a lv i b r a t i o na n di n t e r n a l f o r c e so fg r o u p e dp i l e si n l a y e r e ds o i l s j o u r n a lo fg e o t e c h n i c a la n dg e o e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g 1 9 9 9 1 6 2 5 2 8 f a r q u emo d e s a ics 3 dm a t e r i a la n dg e o m e t r i cn o n l i n e a ra n a l y s i so fp i l e s p r o c e e d i n g so ft h es e c o n di n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c e o l ln u m e r i c a lm e t h o d si no f f s h o r ep i l i n g u n i v e r s i t yo ft e x a sa ta u s t i n t e x 1 9 8 2 5 5 3 5 7 5 2 9 周亚军 导管架海洋平台结构振动智能主动控制研究 博士学位论文 大连 大连理工大学 2 0 0 4 一9 姜琳 桩一土相互作用的海洋平台振动响应研究 2 土的动力模型及其对结构响应的影响 许多岩土工程中 土对材料不仅要受单调静荷载的作用 而且受到瞬时荷载和循环 荷载 如地震荷载 波浪荷载等 的作用 由于土的动力特性要比土的静力特性复杂的 多 因而需要建立土的动力模型即土体本构关系 以表征土动态力学的特性 本章首先 介绍土动应力应变的关系特点 然后介绍几种有代表性的土动力计算模型 最后讨论了 土体的本构对结构动力特性的影响 2 1 土动应力一应变关系特点 土在动荷载作用下的变形通常包括可恢复的弹性变形和不可恢复的塑性变形 1 巧 动荷载较小时 主要为弹性变形 动荷载增大时 塑性变形逐渐产生和发展 土在小应 变幅情况下工作 土显示出近似弹性体的特征 例如机器基础下土的工作状态属于这种 情况 一般土工建筑物的动力工作特性主要也属于这种范畴 但大动应变时 如强震 大爆破和压密施工等 动荷载将会引起土结构的改变 从而引起土的残余变形和强度损 失 土的动力特性将显著不同于小应变幅的情况 此时 除了需要研究土的强度和变形 外 对于饱和砂土 饱和粉土等 往往会因结构遭到破坏时孔隙水压力的迅速增长而出 现强度的突然丧失 即振动液化现象 所以对于动荷载作用下土的性能问题 必须区别 小应变幅动荷载作用和大应交幅动荷载作用两种不同的情况 在小应交幅情况 s o 1 0 4 下 主要研究剪切模量和阻尼比的变化规律 为建筑物地基 机器基础的动 力分析提供必要的指标 但在大应变幅情况下 除了研究土的剪切模量和阻尼变化之外 土的强度和变形问题显得更为重要 因此地基 基础和上部建筑物都有可能由于强度的 减小或变形的增大而影响到整体稳定性 至于饱和砂土的振动液化 那更是一个在大应 变幅情况下的极为突出的问题 而以上问题的解决都需要了解动应力与动应变之间的关 系 土在周期反复荷载作用下的应力应变关系具有非线性与滞后的明显特点 而后者又