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《涌潮荷載下樁式丁壩的動(dòng)力響應(yīng)》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。
1、水利學(xué)報(bào)年月第卷第期文章編號(hào)涌潮荷載下樁式丁壩的動(dòng)力響應(yīng)趙暉蔡袁強(qiáng)徐長(zhǎng)節(jié)浙江大學(xué)軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室浙江杭州摘要通過勢(shì)流理論研究了簡(jiǎn)諧荷載作用下的無黏性流圓樁土體系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)采用動(dòng)力彈性地基梁模型模擬樁與土的相互作用考慮無黏性流體和樁體的耦合作用將圓樁散射的特征函數(shù)展開由解析法給出了埋置在土中的圓樁在無黏性流體中的穩(wěn)態(tài)動(dòng)力響應(yīng)最后將實(shí)測(cè)的錢塘江涌潮沖擊荷載用傅立葉變換展開成正余弦荷載考慮由流體黏性引起的速度力和黏性阻尼的公式的速度力分項(xiàng)研究分析了涌潮作用下樁式丁壩的受力特性及樁身振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果表明埋置樁的自振頻率較
2、高而涌潮荷載中高頻分量相對(duì)較小所以涌潮下樁式丁壩不易發(fā)生共振工程中可采用靜力方法進(jìn)行設(shè)計(jì)關(guān)鍵詞涌潮流體樁土作用共振特征函數(shù)展開解析法傅立葉級(jí)數(shù)中圖分類號(hào)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼研究背景在強(qiáng)涌潮河段丁壩可以挑流促淤保灘護(hù)岸但傳統(tǒng)堆石丁壩最大的缺點(diǎn)是容易被涌潮沖毀因此工程設(shè)計(jì)人員提出了一種可埋置的樁式丁壩結(jié)構(gòu)樁式丁壩的基礎(chǔ)很深不易損毀避免了頻繁搶修的弊端作為新型水工結(jié)構(gòu)樁式丁壩在涌潮壓力下的動(dòng)力響應(yīng)是個(gè)亟待研究的課題周叮利用廣義三角級(jí)數(shù)的正交完備性求得了懸臂梁與液體耦合振動(dòng)的振型函數(shù)和頻率方程的精確解析解張紹文等研究了水中兩類懸臂結(jié)構(gòu)的彎曲自由振動(dòng)
3、與水動(dòng)力特性關(guān)系指出擾動(dòng)水壓力對(duì)結(jié)構(gòu)的作用相當(dāng)于在柱上附加分布質(zhì)量并給出了附加質(zhì)量的確切算式但這些工作還局限于研究懸臂梁的水動(dòng)力學(xué)特性等采用動(dòng)力曲線和曲線模擬了樁土相互作用用有限元法計(jì)算了波浪荷載下群樁的動(dòng)力響應(yīng)但是忽略了流體和樁的耦合作用劉笑海等試驗(yàn)研究了埋置剛性樁上的波壓力但亦沒有考慮樁和流體的耦合作用涌潮對(duì)丁壩的作用機(jī)理目前還不明確研究表明涌潮的波長(zhǎng)較大波幅相對(duì)波長(zhǎng)較小而且實(shí)測(cè)涌潮壓力豎向分布和線性波波壓力豎向分布十分類似可以采用線性波理論模擬涌潮從能量的角度看涌潮對(duì)樁式丁壩的作用力為勢(shì)流分量和黏性引起的渦流分量的結(jié)合這點(diǎn)和
4、計(jì)算小直徑樁柱體的波浪力公式即公式是一致的但若直接用公式計(jì)算樁水耦合振動(dòng)計(jì)算量大若考慮樁土系統(tǒng)的樁水耦合振動(dòng)則計(jì)算量更大本文通過勢(shì)流理論求解流體壓力的勢(shì)流分量采用特征函數(shù)展開方法和地基土模型利用泥面處樁身連續(xù)條件直接獲得無黏性流體樁土系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)動(dòng)力響應(yīng)的解析解趙暉等對(duì)錢塘江涌潮壓力進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)涌潮沖擊瞬間后就翻躍丁壩此時(shí)的丁壩所受外荷載為丁壩兩側(cè)的壓力差本文將文獻(xiàn)中計(jì)算模擬的錢塘江涌潮壓力展開成傅立葉級(jí)數(shù)基于穩(wěn)態(tài)簡(jiǎn)諧荷載下的無黏性流體樁土體系的動(dòng)力響應(yīng)的解析解求得了涌潮荷載下忽略流體黏性的埋置樁的動(dòng)力響應(yīng)然收稿日期作者簡(jiǎn)介趙暉男
5、江蘇興化人博士生主要從事樁土動(dòng)力相互作用及固液耦合振動(dòng)等方面的研究后通過公式中的速度力分項(xiàng)考慮流體黏性引起的渦流分量速度力和黏性阻尼從而得到錢塘江涌潮荷載作用下樁式丁壩的動(dòng)力響應(yīng)流體樁土的穩(wěn)態(tài)簡(jiǎn)諧動(dòng)力分析樁式丁壩的特點(diǎn)是埋置樁的上部浸沒在流體中當(dāng)受到涌潮動(dòng)力荷載時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)樁在河床以上的部分和流體耦合作用樁在河床以下的部分和土體相互作用如圖所示為樁的彈性模量為樁的橫截面積為樁的密度為涌潮壓力為土彈簧系數(shù)為土的阻尼系數(shù)模型采用在水深中半徑為埋入土中深度為的圓樁受流體簡(jiǎn)諧荷載作用圖取柱坐標(biāo)系使得在靜水面上軸通過樁中心向上為正水平方向向右
6、為正方向圓柱受到流體的沖擊流體沿軸正方向傳播圓樁的振動(dòng)方程振動(dòng)方程可表示為圖樁式丁壩受力式中分別為樁身泥面以上和樁身泥面以下的水平位移為樁的抗彎剛度樁側(cè)土對(duì)樁的動(dòng)力作用簡(jiǎn)化為連續(xù)分布的線性彈簧和線性阻尼器以并聯(lián)的方式耦合?其中分別為土體的彈性模量土體的材料阻尼比是圓樁單位長(zhǎng)度上的動(dòng)水壓力根據(jù)流場(chǎng)中方程的壓強(qiáng)計(jì)算公式沿著圓樁的迎水半個(gè)周長(zhǎng)積分得到式中為流體的總速度勢(shì)為水的質(zhì)量密度為樁的半徑基本方程的求解假設(shè)流體是無黏性不可壓縮的采用線性波理論模擬流體設(shè)波高為波數(shù)為圓頻率為重力加速度為流體的總速度勢(shì)分別表示入射波和散射波相對(duì)應(yīng)的速度勢(shì)
7、根據(jù)線性波理論入射波的速度勢(shì)可以記為圖流體圓樁土系統(tǒng)式中為數(shù)為階第一類函數(shù)流體對(duì)彈性圓柱的散射速度勢(shì)可以寫成式中分別為階函數(shù)和階第二類虛宗量函數(shù)為待定系數(shù)是下式的正實(shí)根根據(jù)式把對(duì)動(dòng)水壓力有貢獻(xiàn)的速度勢(shì)的部分記做樁面耦合條件為由式和式可得作用在樁上的動(dòng)水壓力豎向分布函數(shù)為把式代入式后根據(jù)樁體受力平衡條件可求樁的水平振動(dòng)位移為式中為待定系數(shù)??積分常數(shù)的確定由樁面條件樁身邊界條件和泥面處樁身連續(xù)條件可以確定所需要的待定系數(shù)令常數(shù)常數(shù)常數(shù)那么泥面以上樁身水平位移是將泥面以上的樁體位移表達(dá)式代入樁面方程式可以得到式分別乘以并在上積分可以得
8、到一組關(guān)于速度勢(shì)系數(shù)的方程取有限個(gè)項(xiàng)那么式可以展開成個(gè)方程再加上個(gè)樁身邊界條件和樁身連續(xù)條件共個(gè)方程待定系數(shù)有共個(gè)運(yùn)用矩陣方程求解的方法就可以求出所有樁身水平位移待定系數(shù)和速度勢(shì)散射系數(shù)計(jì)算結(jié)果隨著的增加而迅速收斂根據(jù)截?cái)嗾`差確定使計(jì)算精度達(dá)到要求
