等质量圆形基础与风电空心锥形基础承载特性

空心锥形钢筋混凝土基础是一种新型陆地风电基础形式。通过开展数值模拟,研究了在钢筋混凝土用量相等情况下,空心锥形基础与传统重力式圆形基础在水平荷载、竖向荷载及弯矩作用下的承载特性和基础周围土体变形规律,探讨了基础尺寸、比尺效应对基础承载力和土体变形的影响。研究表明:相较于圆形基础,空心锥形基础水平承载力提高幅度为202%～456%,并能有效控制基础位移;弯矩承载力大幅提升5.1～7.9倍;竖向承载力最大提高35.5%。空心锥形基础水平极限承载力随径高比(基础顶面直径与高度之比)的增大逐渐减小,竖向与弯矩极限承载力随径高比的增大而增大。随锥形基础径高比增加,在水平荷载和弯矩作用极限状态下,基础周围土体隆起量逐渐减小;竖向载作用下,土体变形范围逐渐增大。对基础极限承载力进行无量纲化处理,研究比尺效应对其影响,发现比尺效应对基础竖向承载力影响较大,对水平和弯矩承载力影响较小。     

砂土中陆地风电空心锥形基础水平承载力的影响因素分析

空心锥形基础是一种新型的陆地风电基础形式,其主控荷载为水平荷载和倾覆力矩。开展砂土中锥形基础水平单调加载模型试验,研究加载高度、加载速率和模型尺寸对基础水平承载力的影响,并对比分析相同质量和径高比的锥形基础与圆形基础的水平承载力大小。研究表明:锥形基础水平极限承载力随加载高度增加逐渐降低;加载速率对锥形基础的水平极限承载力影响较小;径高比和底板尺寸是影响锥形基础水平极限承载力的主要因素,当基础径高比为5.5时,锥形基础水平承载力最大;增大底板尺寸可有效控制基础水平侧移;基础失稳破坏形式为转动破坏;相同质量的锥形基础和圆形基础相比,锥形基础的水平承载力是圆形基础的1.1～1.2倍。     

砂土中裙式吸力基础复合承载特性数值模拟

海上风电基础在服役过程中,长期受到上部结构传递的竖向荷载以及风、波浪等产生的水平荷载及倾覆力矩作用.这些荷载同时作用于基础,导致基础的复合承载特性复杂.针对海上风电裙式吸力基础开展数值模拟,研究裙式吸力基础在复合加载条件下的承载能力:在复合加载条件下,裙式吸力基础的承载能力更大;随着裙结构宽度和高度的增大,裙式吸力基础的复合承载力逐渐增大;绘制了吸力基础在二维复合荷载(竖向荷载-水平荷载、竖向荷载-弯矩荷载、水平荷载-弯矩荷载)作用情况下的破坏包络线图形以及在三维复合荷载(竖向荷载-水平荷载-弯矩荷载)作用情况下的破坏包络面,得到了裙式吸力基础破坏表达式,可指导工程实践.     

组合荷载作用下裙式吸力基础承载特性数值分析

采用数值模拟的方法,对等质量下裙式吸力基础和传统吸力基础组合荷载作用下的承载特性进行分析,探讨主桶高度、裙高度以及裙宽度的变化对基础竖向承载力、水平承载力、弯矩承载力以及组合承载力的影响,得到了基础荷载位移关系曲线及周围土体隆起范围,分析了隆起的影响因素。研究发现裙的宽度是竖向承载力的主控因素,而主桶高度及裙高度是水平承载力和弯矩承载力的主控因素,并得到了组合荷载下吸力基础破坏包络线及其公式。研究成果可供工程设计参考。     

砂土场地中组合荷载下单桩竖向承载特性研究

考虑砂土场地中单桩承受水平和弯矩荷载的共同影响,完成了五组共十根单桩的室内模型试验,分析了在组合荷载作用下砂土中单桩的竖向承载特性.研究表明:在不考虑竖向荷载作用的情况下,随着水平荷载作用点高度的增加,由于出现了弯矩荷载,单桩的水平极限承载力降低,但降低幅度逐渐减小;水平或弯矩荷载的增大,均会导致单桩沉降的增大和竖向承载力的降低,但只有当水平荷载达到相应位置水平极限承载力的0.5倍以上时,这种变化幅度才较明显;预先施加的水平和弯矩荷载在产生水平位移后,再施加竖向荷载,将会出现P-Δ效应,造成单桩水平位移的增大和水平承载力的降低;水平和弯矩荷载共同作用时对单桩的沉降和桩端阻力的影响程度,与水平和弯矩荷载产生的桩顶水平位移的大小正相关.     

砂土中吸力式单桩极限抗斜拉承载力计算

为研究饱和砂土中吸力式单桩的极限抗斜拉承载力,对3种不同长径比和3种荷载作用角度下的吸力式单桩进行了室内大比尺模型试验,分析得到了不同参数下的桩基础的极限抗斜拉承载力。通过极限平衡法对吸力式单桩的极限竖向抗拔承载力和极限水平向承载力进行了分析研究,并基于破坏包络线的概念,对吸力式单桩极限抗斜拉承载力的试验结果进行回归分析和拟合,得到了竖向承载力和水平承载力之间的归一化关系及经验公式,进而推导出吸力式单桩基础的极限抗斜拉承载力。     

水平—竖向耦合荷载下单桩承载性状数值分析

为了研究单桩基础在水平—竖向耦合荷载下的承载性状,以工程实例为基础,通过数值计算的手段建立了均质海相软黏土层中单桩受耦合荷载的计算模型,研究均质土层中竖向与水平耦合荷载作用下单桩的承载力、变形特点。结果表明：当施加的水平力未超过临界荷载,水平力的施加对单桩竖向承载力无影响;当施加的水平力超过临界荷载,水平力的施加对单桩竖向承载力有着不利的影响;水平力的施加延缓了竖向抗拔承载力破坏点的出现,且随着施加的水平力的增大,抗拔极限破坏点出现得越晚,水平力的施加提高了单桩抗拔承载力;预先施加竖向力会减小水平力产生的桩顶水平位移,提高单桩水平承载力;且存在一个最优的竖向荷载,使得桩顶水平位移最小,桩身弯矩最小。     

混凝土管片及其接头承载力特性数值模拟分析

为了分析混凝土管片及其接头的力学特性,采用有限元方法数值模拟完整混凝土管片及其接头的承载力特性。混凝土本构关系采用Rush建议的二次抛物线和水平直线组合模型。钢筋采用弹性-理想塑性本构模型。采用杆单元模拟混凝土管片内的纵筋和箍筋以及管片接头处螺栓。研究不同轴力与弯矩组合作用下混凝土管片极限承载力的变化规律,分析正负弯矩作用下混凝土管片接头的承载力特性。研究表明,混凝土管片的极限弯矩随轴力的增大而增加;在最大轴力时与无轴力管片承载力相对比,管片极限弯矩增加70%。通过对管片接头研究发现,管片接头的极限承载力只是管片的40%左右;接头的存在降低了混凝土管片的承载能力,管片接头的极限弯矩大小主要受接头螺栓强度和位置的影响。     

基于模型试验的上拔过程中裙式吸力基础内部负压及荷载——位移变化

基于1-g模型试验,研究裙式吸力基础在饱和细海砂中的抗拔承载特性,及不同加载速率、裙结构尺寸对基础抗拔承载力和主桶以及裙内负压变化的影响。试验结果表明:裙式吸力基础底部的上拔破坏形式与传统吸力基础顶部密封时基础的底部破坏形式相同,也为局部拉伸破坏。增大裙高和裙宽均可增大裙式吸力基础的极限抗拔承载力,且增大裙宽对裙式吸力基础的极限抗拔承载力增大比较明显。裙式吸力基础上拔承载力,使得主桶被动吸力以及裙内被动吸力同时达到极限值。裙式吸力基础的主桶被动吸力不随裙高的增大而增大,但随着加载速率的增大,裙式吸力基础主桶被动吸力和裙内被动吸力均明显增大。     

海上风电机宽浅式筒型基础渐进破坏研究

海上风电的吸力筒基础在服役过程中受到来自风、浪、流、地震和船舶停靠带来的水平荷载作用,从而使吸力筒基础产生平移和转动地基变形,这种地基变形累计会导致结构整体失稳破坏。宽浅式吸力筒基础埋深较浅,基础-土体相互作用机理与传统浅基础不同。因此,在极限载荷作用下基础的渐进破坏机理尚不明确。利用土工离心机对不同筒径比的宽浅式吸力筒基础进行试验,分析了基础在砂土中的水平极限承载特性。基于Abaqus有限元模型,进一步分析了吸力筒基础的渐进演化失效模型,揭示了破坏过程中矢量旋转中心位置变化曲线,提出了考虑旋转中心位置变化的水平极限承载特性计算模型,为宽浅式吸力筒基础设计提供参考。     

树状结构空间四分叉铸钢节点抗弯极限承载力分析

用ANSYS有限元分析方法分析了树状结构空间四分叉铸钢节点在弯矩作用下的塑性区扩展过程及几何因素对抗弯极限承载力的影响,并在此基础上拟合出该类节点的抗弯极限承载力公式.结果表明:在弯矩作用下,节点首先在相邻分管相交界限处进入塑性,此后分管受拉较大一侧靠近节点核心区的部位进入塑性,两处塑性区随荷载增大而扩展,最终相互连接,节点核心区屈服,达到承载力极限;主分管之间夹角对节点抗弯极限承载力的影响不大,但主管径厚比对节点抗弯极限承载力的影响较大;节点承载力随分管与主管壁厚比的增大呈近乎线性增大;节点抗弯极限承载力随分管与主管外径比的增大而增大;承载力随主分管倒角半径的增大而增大,随分管外壁倒角半径的增大而增大,随分管内壁倒角半径的增大而先增大后减小.     

双坡折线形混凝土框架实验及有限元分析

对某双坡折线形混凝土框架进行竖向静载实验,研究双坡折线形混凝土框架在竖向静载作用下的破坏机制、承载能力、竖向位移延性比及弯矩调幅规律;利用ABAQUS软件建立试件的有限元模型,以该模型进行参数分析,考察相对受压区高度、梁起坡角度对弯矩调幅的影响。结果表明:双坡折线形混凝土框架为三铰破坏机制;框架梁发生类似适筋梁正截面受弯破坏,属于延性破坏,竖向位移延性比为2.53;试件弯矩调幅系数为37.66%,极限状态时,拱效应提高了其框架承载力,但是加大了框架柱的侧向位移;利用ABAQUS软件建立的试件有限元模型的模拟结果与实验吻合较好。     

混凝土化学植筋锚固强度的解析

讨论了混凝土化学植筋的基本破坏形态,对常见的锥体-黏结复合破坏机理进行了分析;应用莫尔强度理论对混凝土锥体破坏面建立了混凝土抗拔力与锥体高度和混凝土强度的定量关系,基于黏结破坏的试验数据,通过数理统计得出极限平均黏结应力公式,最终建立了极限平衡状态下的承载力公式。进而通过实验数据证实了公式的可靠性,为混凝土植筋的设计计算提供了参考。     

中砂和软黏土中桩顶竖向力 对桩身水平承载力影响对比分析

为探讨中砂和软黏土地基中桩顶既有竖向力对桩身水平承载力的不同影响规律,基于ABAQUS建立了单桩基础三维有限元分析模型,并结合已有载荷试验结果验证了模型的合理性.在此基础上,采用Probe法分别获得均质稍密中砂和软黏土地基中2种不同桩身长径比(L/D)的单桩基础在保持不同桩顶既有竖向力(V)不变时,水平力(H)引起的桩身位移、桩身极限承载力及承载力包络线.结果表明:桩顶既有竖向力从桩身竖向极限承载力(Vult)0.2倍增加至0.8倍时,稍密中砂地基中的桩身水平极限承载力(Hult)提高13.6%～41.2%;反之,软黏土中Hult降低2.2%～6.5%,且L/D较小时这种影响差异更趋明显.最后,通过对比分析加载过程中桩周地基土中的竖向应力、桩侧摩阻力及桩侧土抗力的分布与变化特征,讨论了这种影响差异的内在机理.     

支盘群桩在复合荷载作用下的承载特性研究

针对输电线路铁塔基础同时承受竖向、水平荷载的特点,依托实际工程开展了1 000kV特高压铁塔2×2挤扩支盘群桩真型试验,得到其在下压-水平荷载工况下的荷载-位移关系、桩端及承台土压力变化规律;并通过ABAQUS有限元软件,分析了不同桩间距、水平与下压荷载的比值对支盘群桩承载性能的影响.结果表明:在达极限承载状态时,支盘端阻力与桩侧摩阻力共占极限承载力的79.86%,承台占19.6%,桩端阻力占0.84%.因水平荷载对群桩的二阶弯矩效应,使得前排基桩的桩端阻力、桩身轴力均大于后排桩;但对于等径群桩,这种现象并不明显,所以基于前排桩在承受单向下压荷载与复合荷载时的桩身轴力,提出考虑水平荷载作用下的抗压承载力调整系数计算公式.     

黏性土中倾斜荷载下抗拔桩的模型试验研究

为研究黏性土地基中抗拔桩在不同倾斜荷载情况下的承载机理,开展了抗拔桩室内模型承载试验.对比试验结果表明,抗拔桩承受倾斜荷载时,与竖向承载不同,呈现靠倾斜荷载一侧的桩周土体始终受压,而另一侧土体始终受拉的现象.达到极限时,仅靠荷载一侧桩周一定深度土体破坏,破坏区域在地表大致呈现扇形分布,其范围随荷载倾角增大而增大.此外,极限抗拔承载力随着倾角的增大而增大.在此基础上,依据破坏模式建立了倾斜荷载下抗拔桩的计算模型及桩周土体的破裂面方程,并基于单元体极限平衡分析得出了抗拔桩极限承载力计算公式.与试验结果对比表明,该方法计算值与实测值吻合较好.     

轴压套管构件的典型破坏模式与极限承载力

建立了轴向压力作用下两端铰接钢套管构件的非线性有限元分析模型.通过套管构件的非线性有限元分析,得到内核弯矩分布随轴向压力增大的变化规律,并得出套管构件的破坏机理.分析了内核长细比、内核外伸长度、套管-内核间隙及套管-内核壁厚比等参数对套管构件极限承载力因子的影响,并采用多项式函数拟合得到套管构件极限承载力的实用计算公式.结果表明,轴向压力增大,内核弯矩最大截面逐渐向内核端部移动,在轴向压力与弯矩的共同作用下,内核端部附近截面达到全截面塑性,导致套管构件承载力下降.随内核长细比的增大以及内核外伸长度及套管-内核间隙的减小,套管构件极限承载力因子逐渐增加.     

钢纤维混凝土桩承载特性模型试验

为研究钢纤维混凝土桩在竖向荷载作用下的承载力、桩身应变特点以及桩体的破坏现象,就不同直径的钢纤维混凝土桩和素混凝土桩进行了静载试验.沿桩体纵向布置应变片,监测其应变.试验完成后,开挖出桩体,对比分析钢纤维混凝土桩和素混凝土桩的破坏特点.结果表明:掺入钢纤维能有效增大桩体抵抗压缩变形的能力;钢纤维混凝土桩桩径由4.5cm增至7.0cm时,桩体抵抗压缩变形的能力增大,单桩极限承载力增大,但当桩径由7.0cm增至8.0cm时,桩体的压缩变形和极限承载力变化较小;2种桩体发生破坏时均为桩体两端出现裂缝甚至破损,钢纤维有效地提高了素混凝土桩的抗裂性能.根据试验结果,给出了设计钢纤维混凝土桩的几点建议.     

湛江组结构性黏土中单桩水平承载性状试验研究

选取材质和桩径相同、桩长不同的3组模型桩,采用单向多循环加载法,在湛江组结构性黏土中进行单桩水平静载现场试验。通过对试验数据的处理,得到桩顶的水平荷载-时间-水平位移(H0-t-Y0)曲线、水平临界荷载Hcr、水平极限承载力Hu以及单桩的桩身弯矩、桩身剪力、桩侧土抗力沿桩入土深度的变化情况。分析结果表明,在水平荷载作用下,湛江组结构性黏土中具有相同材质、相同桩径的单桩,其水平临界荷载Hcr和极限承载力Hu与入土桩长呈正相关关系;桩身弯矩、剪力和桩侧土抗力的最大值均随着入土桩长的增加而增大;桩身弯矩和桩身剪力主要集中在桩身上部,最容易发生剪切破坏的部位在桩顶处;湛江组结构性黏土中单桩的桩侧土抗力沿入土深度呈不完整的S形分布,且其最大值出现在地平面附近。     

沉桩方式及桩型对湛江组结构性黏土中单桩承载力时效性的影响

北部湾沿岸地区湛江组结构性黏土具有触变性,导致该土层中桩基时效性明显,不同沉桩方式及桩型的模型单桩对湛江组结构性黏土中桩基承载力时效性影响显著。以湛江组结构性黏土为地基,设计不同沉桩方式、桩型的模型单桩进行桩基静载实验,并对1倍桩径范围内桩周土的孔隙水压力进行监测。得到不同沉桩方式、不同桩型的模型单桩承载力及桩周土的孔隙水压力随休止时间的变化规律。结果显示：1)湛江组结构性黏土中单桩竖向极限承载力均随休止时间的增加而逐渐增大,且单桩竖向极限承载力增大的速率表现为前期增长快,后期增长慢;2)孔隙水压力消散规律与单桩竖向极限承载力增长规律基本吻合;3)湛江组结构性黏土中单桩承载力时效性可以用经验公式表述,在同一均质土层中不同沉桩方式、不同桩型的承载力时效性采用不同的时效性相关系数计算;4)不同沉桩方式对单桩承载力时效性影响差别较大,当桩型相同时,静压桩的竖向极限承载力增大的速率和幅度比振动桩大。5)单桩竖向极限承载力时效性与桩型有关,当沉入方式相同时,圆桩的竖向极限承载力增大的速率和幅度最大,管桩次之,方桩最小;