大直径圆筒结构的倾覆稳定性分析

大直径圆筒结构的倾覆稳定性分析

0各种计算方法的比较与其他重力结构相比，沉降式大直径圆码头是一种新型的码头结构形式。与其他重力结构相比，结构简单，材料少，结构强度好，施工速度快，成本低，耐久性好等优点。目前,沉入式大直径圆筒结构稳定性计算方法主要有:基于重力式结构稳定验算方法、摩阻力方法、基于无锚板桩稳定性验算方法、基于吸力式桶形基础水平承载力计算方法和圆筒极限变位控制方法等.各种计算方法的基本假设、分析思路、参数取值和计算结果等均存在较大差异.其中,摩阻力方法和基于无锚板桩稳定性验算方法在筒体倾覆转动点假设上存在较大差异.前者假设筒体倾覆转动点为筒底面中点,后者假设为圆筒中轴上某一点.力矩平衡点上的差异对验算结果具有较大影响.目前对该点位置的假设均存在一定差异,而且转动中心随圆筒尺寸参数和载荷作用等因素而改变.因此,关于该点的研究有待进一步深入.本文采用大型有限元软件ABAQUS模拟沉入式大直径圆筒结构倾覆,从圆筒水平位移、竖向位移和角位移入手,确定圆筒倾覆转动点位置并分析其变化规律,为沉入式大直径圆筒结构抗倾稳定性分析计算提供一定理论依据.1计算值的值1.1土体模型及载荷利用ABAQUS有限元软件建立计算模型.整个模型分为3个部分:沉入式大直径圆筒结构、筒内填土和筒外土体,3部分均采用三维六面体实体单元进行模拟.该模型为并列三筒模型,以中间筒体为主要研究对象.为消除边界影像,筒外土体为直径100m,厚度75m的圆柱体.建立模型见图1.圆筒结构为钢筋混凝土结构.设定其为弹性模型,参数见表1.土体本构模型采用D-P模型,参数见表2.模拟计算过程中对模型施加4种载荷:重力、筒后填土顶部竖向均布压力(100kPa/m2)、圆筒迎水面水平均布拉力(80kPa/m2)、顶部线性水平均布拉力(200kPa/m).4种载荷分别在不同分析步施加.载荷施加见图2.对筒径、筒高、入土深度、土体参数均采用多种工况计算.计算工况见表3.1.2相邻的竖向位移关系在有限元模拟计算结果中,以竖向载荷和水平载荷共同施加分析步中的水平位移和竖向位移为0.寻找圆筒转动中心,以工况3为例,见图3～6.在节点step—位移关系曲线中,step6和step7为竖向载荷和水平载荷共同作用分析步.为寻找竖向载荷和水平载荷共同作用下的转动点位移,应以step6和step7中节点位移变化趋势为分析对象,寻找在step6和step7(即竖向载荷和水平载荷共同作用分析步)中具有相反位移变化趋势的节点.在相邻节点1975和1976之间的点即为满足条件的节点,而它们在step6和step7中存在相反的竖向位移变化趋势.其中,节点1975在step6和step7中竖向位移继续增大,而节点1976在step6和step7中竖向位移由增大变为减小.因此,相邻节点1975和1976之间必然存在1点A,该点在step6和step7中竖向位移为0.同理,在相邻节点1985和1986之间也存在1点B,该点在step6和step7中竖向位移也为0;相邻节点1975和1985在step6和step7中存在相反的水平位移变化趋势,节点1975在step6和step7中水平位移继续增大,节点1985在step6和step7中水平位移由增大变为减小,因此在相邻节点1975和1985之间必然存在1点C,该点在step6和step7中水平位移为0.同理,在节点1976和1986之间也必然存在1点D,该点在step6和step7中水平位移为0,见图7和8.根据坐标图所示建立坐标系.假设在相邻节点1975,1976,1985和1986所围成的网格中各点位移呈线性变化,节点1975,1976,1985和1986的位置坐标和位移已知,由位移线性变化的比例关系可确定在step6和step7中竖向位移为0的点A,B和在step6和step7中水平位移为0的点C,D的位置.AB连线上各点为在step6和step7中竖向位移为0,CD连线上各点为在step6和step7中水平位移为0.因此,AB和CD的交点E即为满足竖向位移和水平位移均为0的点.由于大直径圆筒结构的对称性,点E在圆筒中轴面上的投影O即为大直径圆筒结构的倾覆转动点.1.3确定城市后的前、后鞋位,把抗倾力上升到案例的位置上各计算工况数值计算结果见表4.圆筒倾覆转动点的变化受圆筒入土深度、圆筒直径、圆筒高度和圆筒内填料参数等因素影响.圆筒倾覆过程中,筒内填充密实填土,可视为刚体,相对土体而言,其自身变形可忽略不计.前趾和土体作用较大,当前趾土体达到塑性极限状态时,前趾应力重新分布.圆筒前趾竖向位移增幅较小,而后趾竖向位移增幅较大.圆筒前、后趾竖向位移比必然小于1.可见,圆筒倾覆转动点位置与圆筒前、后趾竖向位移比和前后趾距离有直接关系.圆筒入土深度增大,圆筒倾覆稳定性增大,圆筒前、后趾竖向位移之比增大.为满足其近似刚体倾覆条件,圆筒倾覆转动点水平方向上向圆筒母线靠近,竖直方向上向圆筒顶部靠近.因此,圆筒倾覆转动点横坐标随圆筒入土深度增大而减小,纵坐标随圆筒入土深度增大而增大,见图9和10.圆筒直径增大,圆筒倾覆角位移减小,圆筒前、后趾竖向位移之比增大,但圆筒前趾横坐标增大在距离增幅中占主导地位.为满足圆筒近似刚体倾覆条件,圆筒倾覆转动点位置必须随之变化.因此,圆筒倾覆转动点横坐标随圆筒直径增大而增大,纵坐标随圆筒直径增大而减小,见图11和12.圆筒高度增大,圆筒倾覆角位移增大,圆筒前、后趾竖向位移之比增大,而圆筒前、后趾距离不变.为满足其近似刚体倾覆条件,圆筒倾覆转动点水平方向上向圆筒母线靠近,竖直方向上向圆筒顶部靠近.因此,圆筒倾覆转动点横坐标随圆筒高度增大而减小,纵坐标随圆筒高度增大而增大,见图13和14.圆筒内填料内摩擦角增大,内填料土体相互层次间摩擦力作用增大,部分内填料由于摩擦力抵抗自重而未从圆筒脱落;圆筒抗倾有效比有所增大,但对圆筒倾覆稳定起主要作用的筒内外土体作用在圆筒上的抗倾力矩影响不大;圆筒倾覆稳定性有所增大,增幅不明显.因此,圆筒倾覆转动点横坐标随圆筒内填料内摩擦角增大而减小,纵坐标随圆筒内填料增大而增大,但圆筒内填料内摩擦角影响不明显,见图15和16.2比较分析2.1竖向基床参数周锡礽等根据位移与力之间的物理力学关系分别建立相关物理平衡方程,依据散体力学平衡理论得出沉入式大直径圆筒结构位移、土抗力、侧摩阻力、水平极限载荷和转动点入土深度解析方程.大直径圆筒结构的倾覆角位移及水平位移解析解方程为α=12δ[(2h+3h0)P-3βf4D](1)u=2Pk2hD[1+4k2δh2D(2h+3h0)]−24δhβf4D(2)u=2Ρk2hD[1+4k2δh2D(2h+3h0)]-24δhβf4D(2)式中:δ=1k2h3D+3k1D4+36G(h−H2)(3)f4=qzfE(4)qz=D∫h0k2z2αhdz=k2h2α3D(5)δ=1k2h3D+3k1D4+36G(h-Η2)(3)f4=qzfE(4)qz=D∫0hk2z2αhdz=k2h2α3D(5)k1为圆筒基底处土体的竖向基床参数,取1×104kN/m3;k2为圆筒基底处土体的水平向基床参数,取5×103kN/m3;β为侧摩阻力的曲面折减因数,取0.5;G为圆筒筒体及筒内填充物的重量;P为水平载荷;f4为大直径圆筒结构在波浪载荷作用下产生的角位移引起的筒壁侧摩阻力;qz为大直径圆筒结构在波浪载荷作用下产生角位移引起的土抗力;fE为土体摩擦参数,取0.3;H为圆筒高度;D为圆筒外径;h0为筒前水深.大直径圆筒结构转动点入土深度解析解方程为z=u/α(6)z=u/α(6)2.2结果的比较结果对比见图17～20.3确定城市单筒体的几何尺寸,根据确定第一确定确定确定第一确定(1)沉入式大直径圆筒结构倾覆转动点并非前人所假设在前趾、后趾或圆筒母线上.以圆筒母线和底面为参照,本文所计算的工况中,圆筒倾覆转动点位置为圆筒前、下部,距离圆筒母线25%～29%D(D为圆筒外径),距离圆筒底面5%～7%H(H为圆筒筒高).(2