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波浪荷载作用下深水墩钢管桩施工平台动力性能研究

作　者: 居艮国
导　师: 吕凤梧
学　校: 同济大学
专　业: 水工结构工程
关键词: 钢管桩施工平台波浪力谱分析时程分析动力响应
分类号: U445.551
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 368次
引　用: 5次
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内容摘要

随着桥梁建设的发展，桥梁施工经常面临在深水中施工桥墩的情况，使现有施工技术面临严峻挑战。作为施工临时结构的施工平台对深水墩施工的进行有着至关重要的作用。钢管桩施工平台在整个施工过程中受到多种荷载作用，这些外荷载的计算理论以及作用方式还并不为人们所熟知。在这些作用力中还包括许多随机的动荷载，计算和考察其整体以及局部的动力反应，预估其破坏状况，提出补强措施，确定经济合理的设计目标和方法，无疑是有意义的。首先，本文总结了钢管桩施工平台结构分析的单元模型和整体计算模型，采用三维空间杆系建立结构的整体计算模型；分析了波浪力的计算理论，并考察了波浪力的不同施加方式的影响；对结构中的斜桩的波浪力的计算提出了简化的考虑方法，并验证了其准确性。在第四章，完成了结构在随机波浪力作用的动力响应分析，从概率分析的角度考察结构的安全度；进行了结构与水的耦合作用的定性分析，分析了附连水质量和水动力阻尼对结构动力响应的影响，以及如何利用这些影响因数达到结构的合理设计。本文第五章，利用ANSYS有限元程序模拟了多条随机波浪力的时间历程曲线，并利用这些时程曲线进行了结构的线性时程分析；对确定性波和随机性波的分析结果作了分析比较。最后，本文研究了施工平台的自振频率以及振型分布情况；对施工平台各组成构件(平连钢管、剪刀撑)对结构动力响应的影响作了比较；分析了上部纵横向贝雷架对结构整体刚度以及动力响应的影响。探讨了钢管桩施工平台的工作性能，给出了设计建议。相关结论可供今后类似工程的设计与施工参考。

全文目录

摘要  6-7
ABSTRACT  7-13
第1章绪论  13-23
  1.1 本课题研究的目的和意义  13-14
  1.2 深水墩施工平台的力学特点  14
  1.3 施工平台的分类  14-15
  1.4 国内外深水墩施工平台体系的研究现状  15-17
  1.5 国内外海洋平台体系的研究现状  17-22
    1.5.1 计算模型的选择  18
    1.5.2 荷载工况分析  18-19
    1.5.3 流、固体耦合作用分析  19-21
    1.5.4 计算方法的选择  21-22
  1.6 本文主要工作  22-23
第2章波浪理论及波浪力计算  23-50
  2.1 确定性波浪理论—微幅波(Ariy波)理论  23-26
    2.1.1 二维小振幅推进波的假定  24-25
      2.1.1.1 波面方程的假定  24-25
    2.1.2 二维小振幅推进波的一些特性  25-26
      2.1.2.1 波速与波长  25
      2.1.2.2 水质点的运动速度和加速度  25-26
  2.2 随机性波浪理论  26-33
    2.2.1 随机波浪的统计特性  26-28
      2.2.1.1 平稳的具有各态历经的随机过程  26-27
      2.2.1.2 海浪的平稳性和各态历经性  27
      2.2.1.3 波浪要素的统计分布  27-28
    2.2.2 随机波浪的谱特性  28-33
      2.2.2.1 海浪频谱  28-30
      2.2.2.2 海浪谱的形式  30-33
  2.3 小尺度结构物波浪力计算  33-41
    2.3.1 莫里森方程—小尺度结构物波浪力计算  35-36
    2.3.2 单柱体上的波浪力  36-41
  2.4 随机波浪力计算  41-50
    2.4.1 特征波(设计波)法  41
    2.4.2 谱分析法  41-47
    2.4.3 特征波法与谱分析法之间的换算  47-48
    2.4.4 概率分析法  48-50
第3章施工平台有限元建模及分析中的若干问题说明  50-60
  3.1 工程概况  50
  3.2 ANSYS有限元建模  50-55
    3.2.1 PIPE59单元特性  51-55
      3.2.1.1 单元位置  52
      3.2.1.2 单元刚度矩阵  52-53
      3.2.1.3 单元质量矩阵  53
      3.2.1.4 单元荷载向量  53-55
    3.2.2 PIPE16单元特性  55
    3.2.3 利用PIPE59及PIPE16单元进行施工平台分析的过程  55
  3.3 边界条件的确定  55-56
  3.4 荷载施加方式的影响  56-57
  3.5 斜桩影响分析  57-60
第4章随机动力响应分析  60-81
  4.1 随机振动的基本概念及常用的随机过程  60-63
    4.1.1 平稳随机过程  61-62
    4.1.2 各态历经的随机过程  62-63
  4.2 线性系统的随机振动  63-68
    4.2.1 时间域脉冲响应法  63-65
    4.2.2 频率域分析法  65-66
    4.2.3 有阻尼多自由度线性系统的随机振动  66-68
  4.3 结构的质量矩阵与阻尼矩阵  68-71
    4.3.1 集中质量矩阵与一致质量矩阵  68
    4.3.2 阻尼矩阵  68-71
      4.3.2.1 阻尼模型  68-70
      4.3.2.2 本文的阻尼矩阵  70-71
  4.4 考虑水与结构耦合的随机动力响应分析  71-72
  4.5 钢管桩施工平台动力特性分析  72-81
    4.5.1 结构有限元建模  72-73
    4.5.2 模态分析  73-76
    4.5.3 随机动力响应计算结果及分析  76
    4.5.4 考虑水与结构耦合作用的比较  76-81
第5章动力时程分析  81-93
  5.1 海面波动时程的模拟  81-83
    5.1.1 谐波合成法  81-82
    5.1.2 自回归法  82
    5.1.3 本文随机波浪力的模拟方法  82-83
  5.2 动力方程的数值积分法  83-87
    5.2.1 线性加速度  83-84
    5.2.2 威尔逊-θ法  84-85
    5.2.3 纽马克-β法  85-86
    5.2.4 本文的数值方法和积分时间步长的确定  86-87
  5.3 波浪力作用下施工平台的时程分析  87-93
    5.3.1 特征波的时程分析  87-88
    5.3.2 随机波的时程分析  88-93
第6章动力特性分析及设计建议  93-104
  6.1 平连钢管不同直径对结构力学性能的影响  93-95
    6.1.1 平连钢管不同直径时结构振型  93-94
    6.1.2 平连钢管不同直径时结构响应  94-95
  6.2 剪刀撑不同壁厚对结构力学性能的影响  95-97
    6.2.1 剪刀撑不同壁厚时结构振型  95-96
    6.2.2 剪刀撑不同壁厚时结构响应  96-97
  6.3 上部纵横向分配梁对结构响应的影响  97-104
    6.3.1 几何参数分析  97
    6.3.2 模态分析  97-100
    6.3.3 响应谱密度曲线分析  100-104
第7章结论与展望  104-106
  7.1 本文研究的结论  104-105
  7.2 研究展望  105-106
参考文献  106-109
致谢  109-110
个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果  110

波浪荷载作用下深水墩钢管桩施工平台动力性能研究

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