CN110359469A - 一种减震抗滑桩结构及设计方法 - Google Patents

一种减震抗滑桩结构及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种减震抗滑桩结构及设计方法，设计方法包括以下步骤：收集现场设计资料；计算抗滑桩的水平线刚度；计算未安装动力吸振器时抗滑桩的最大位移；确定动力吸振器的最优解，并确定若干组动力吸振器参数；计算安装动力吸振器后抗滑桩的最大位移，确定动力吸振器的质量、刚度和阻尼系数；减震抗滑桩结构包括抗滑桩和动力吸振器，动力吸振器的质量、刚度和阻尼系数均按照设计方法进行确定。本发明可以计算得到减震效果最佳的动力吸振器参数，从而可以优化动力吸振器的配置，大大提高抗滑桩结构的减震效果，以有效缓冲地震作用对路基工程的影响，从而保证路基工程在地震作用下的整体稳定性。

Description

一种减震抗滑桩结构及设计方法
技术领域
本发明涉及路基工程技术领域，特别涉及一种减震抗滑桩结构及设计方法。
背景技术
在高地震烈度区(地震烈度大于或等于6级)，地震作用强烈，地震容易引起路基破坏，影响行车安全，需进行减震设计。且随着铁路设计时速的提高，对路基变形提出了更高的要求，需要更大的路基刚度保证更加严格的变形需求。
因此，需要对抗滑桩结构进行专门的减震设计，以有效缓冲地震作用对路基工程的影响，从而保证路基工程在地震作用下的整体稳定性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种减震抗滑桩结构及设计方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种减震抗滑桩结构的设计方法，包括以下步骤：
步骤一：收集现场设计资料，包括地质资料、地震烈度划分、地震加速度，确定代表场地特征的地震波形和抗滑桩的质量；
步骤二：计算抗滑桩的桩顶水平位移S，
S＝S1+φ2·h+S2
式中，S1为抗滑桩悬臂段的顶面位移，φ2为抗滑桩地下段的顶面转角，h为抗滑桩悬臂段的高度，S2为抗滑桩地下段的顶面位移；
步骤三：计算抗滑桩的水平线刚度K，
步骤四：计算未安装动力吸振器时抗滑桩的最大位移xmax，
式中，M为未考虑桩结构阻尼的抗滑桩的质量，x为根据上式计算得到的抗滑桩的位移，xmax为x的最大值，为代表场地特征的地震波形；
步骤五：确定动力吸振器的最优解，
式中，m为动力吸振器的质量，μ为质量比，k为动力吸振器的刚度，c为动力吸振器的阻尼系数；
步骤六：根据步骤五的最优解形式，确定若干组动力吸振器参数(m1，k1，c1；m2，k2，c2；mi，ki，ci；…；mt，kt，ct)，其中，t为动力吸振器参数的组数，(mi，ki，ci)为动力吸振器的一组参数；
步骤七：计算安装动力吸振器后抗滑桩的最大位移xmax′，
式中，x为根据上式计算得到的抗滑桩的位移，xmax′为x的最大值，ci和ki分别代入步骤六中得到的若干组动力吸振器参数，1＜i＜t；
步骤八：确定动力吸振器的质量m、刚度k和阻尼系数c，
当xmax′/xmax的取值最小时对应的(mi，ki，ci)，即为减震效果最佳的动力吸振器参数，取该参数作为动力吸振器的质量m、刚度k和阻尼系数c。
优选的，所述步骤二中，抗滑桩悬臂段的顶面位移S1的计算公式为：
式中，E为抗滑桩的弹性模量，I为抗滑桩的截面惯性矩，h为抗滑桩悬臂段的高度。
优选的，所述步骤二中，抗滑桩地下段的顶面转角φ2和顶面位移S2的计算公式为：
φ2＝1·δMH+h·δMM
S2＝1·δHH+h·δHM
式中，h为抗滑桩悬臂段的高度，δHH、δMH为由于H0＝1所引起的顶面水平位移和转角，δHM、δMM为由于M0＝1所引起的顶面水平位移和转角，其中，H0为集中力，M0为弯矩。
优选的，δHH、δMH、δHM、δMM按照以下公式进行计算：
式中，此处的m为系数，通过查表TB10093-2017《铁路桥涵地基和基础设计规范》进行确定，bp为抗滑桩的计算宽度，无量纲系数A1，A2，A3，A4，B1，B2，B3，B4，C1，C2，C3，C4，D1，D2，D3，D4通过查《桩基工程手册》(第二版)表4.3-2确定，E为抗滑桩的弹性模量，I为抗滑桩的截面惯性矩。
优选的，所述步骤四能够在步骤三之后、步骤八之前的任何时刻进行实施。
本发明还公开了一种减震抗滑桩结构，包括抗滑桩，在所述抗滑桩上安装有动力吸振器，所述动力吸振器包括质量块、弹性构件和阻尼构件。
优选的，所述动力吸振器的质量m、刚度k和阻尼系数c均按照如权利要求1-5任一所述的减震抗滑桩结构的设计方法进行确定。
优选的，减震抗滑桩结构还包括连接相邻两个抗滑桩的系梁，形成整体受力结构，提高减震效果。
优选的，所述抗滑桩的悬臂段还安装有桩板墙，用于抵抗侧向土压力。
优选的，所述动力吸振器安装在所述抗滑桩的顶部，能起到更好的减震效果。
与现有技术相比，本发明所述的设计方法的有益效果：
本发明所述的设计方法，可以计算得到减震效果最佳的动力吸振器参数，从而可以优化动力吸振器的配置，大大提高抗滑桩结构的减震效果，以有效缓冲地震作用对路基工程的影响，从而保证路基工程在地震作用下的整体稳定性。
与现有技术相比，本发明所述的减震抗滑桩结构的有益效果：
本发明所述的减震抗滑桩结构，可以有效减小抗滑桩结构在地震作用下的位移，从而有效控制路基变形；且通过动力吸振器能有效吸收地震能量，减少地震波对路基及抗滑桩的冲击，保证路基稳定性。
附图说明：
图1是本发明实施例2所述的一种减震抗滑桩结构的结构示意图。
图2是本本发明所述的一种动力吸振器的结构示意图。
图3是本发明实施例3所述的一种减震抗滑桩结构的结构示意图。
图4是本发明实施例4所述的一种减震抗滑桩结构的结构示意图。
图5是本发明实施例5所述的一种减震抗滑桩结构的结构示意图。
图中标记：1-抗滑桩，2-桩板墙，3-动力吸振器，31-质量块，32-弹性构件，33-阻尼构件，4-路基工程，5-系梁。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
一种减震抗滑桩结构的设计方法，包括以下步骤：
步骤一：收集现场设计资料，包括地质资料、地震烈度划分、地震加速度，确定代表场地特征的地震波形和抗滑桩的质量。在本实施例中，该区域路段路基主要为岩质基础，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.4g，通过查找当地地震采集资料，确定拟采用地震波形为通麦波，持续时间为100s，抗滑桩的自重为150t。
步骤二：计算抗滑桩的桩顶水平位移S，将抗滑桩分为悬臂段和地下段，
S＝S1+φ2·h+S2 (1)
式(1)中，S1为抗滑桩悬臂段的顶面位移，φ2为抗滑桩地下段的顶面转角，h为抗滑桩悬臂段的高度，S2为抗滑桩地下段的顶面位移。
其中，抗滑桩悬臂段的顶面位移S1的计算公式为：
式(2)中，E为抗滑桩的弹性模量，I为抗滑桩的截面惯性矩，h为抗滑桩悬臂段的高度。
其中，抗滑桩地下段的顶面转角φ2和顶面位移S2的计算公式为：
φ2＝1·δMH+h·δMM (3)
S2＝1·δHH+h·δHM (4)
式(3)-(4)中，h为抗滑桩悬臂段的高度，δHH、δMH为由于H0＝1所引起的顶面水平位移和转角，δHM、δMM为由于M0＝1所引起的顶面水平位移和转角，其中，H0为集中力，M0为弯矩。
δHH、δMH、δHM、δMM按照以下公式进行计算：
式(5)中，无量纲系数A1，A2，A3，A4，B1，B2，B3，B4，C1，C2，C3，C4，D1，D2，D3，D4通过查《桩基工程手册》(第二版)龚晓南主编，表4.3-2确定，E为抗滑桩的弹性模量，I为抗滑桩的截面惯性矩，
式(6)中m为系数，通过查表TB10093--2017《铁路桥涵地基和基础设计规范》进行确定，bp为抗滑桩的计算宽度。
步骤三：计算抗滑桩的水平线刚度K，
步骤四：按下式振动微分方程，采用有限元软件计算未安装动力吸振器时抗滑桩的最大位移xmax，
式(8)中，M为未考虑桩结构阻尼的抗滑桩的质量，x为根据式(10)计算得到的抗滑桩的位移，xmax为x的最大值，为代表场地特征的地震波形。
步骤五：参见《动力吸振器及其应用》背户一登著(任明章译)P32～P37，若在小变形条件下将桩结构看做弹性变形(未考虑主振结构阻尼)，动力吸振器最优解如下，
式(9)中，m为动力吸振器的质量，μ为质量比，k为动力吸振器的刚度，c为动力吸振器的阻尼系数。
步骤六：根据步骤五的最优解形式，确定若干组动力吸振器参数(m1，k1，c1；m2，k2，c2；mi，ki，ci；…；mt，kt，ct)，其中，t为动力吸振器参数的组数，(mi，ki，ci)为动力吸振器的一组参数。
步骤七：按下式振动微分方程，采用有限元软件计算安装动力吸振器后抗滑桩的最大位移xmax′，
式(10)中，x为根据式(10)计算得到的抗滑桩的位移，xmax′为x的最大值，ci和ki分别代入步骤六中得到的若干组动力吸振器参数，1＜i＜t。
步骤八：当xmax′/xmax的取值最小时对应的(mi，ki，ci)，即为减震效果最佳的动力吸振器参数，取该参数作为动力吸振器的质量m、刚度k和阻尼系数c。
优选的，所述步骤四能够在步骤三之后、步骤八之前的任何时刻进行实施。
实施例2
如图1所示，一种减震抗滑桩结构，包括抗滑桩1，在所述抗滑桩1上设有动力吸振器3，所述动力吸振器3安装在所述抗滑桩1的顶部。如图2所示，所述动力吸振器3包括质量块31、弹性构件32和阻尼构件33，所述质量块31为铅块，所述弹性构件32为弹簧，所述阻尼构件33为阻尼器。
本实施例通过增设动力吸振器3，可以有效缓冲地震作用对路基工程4的影响，从而保证路基工程4在地震作用下的整体稳定性。
实施例3
如图3所示，一种减震抗滑桩结构，包括抗滑桩1和安装在抗滑桩1上的动力吸振器3，所述动力吸振器3的质量m、刚度k和阻尼系数c均按照所述的减震抗滑桩结构的设计方法进行确定。
所述动力吸振器3可以包括弹性构件32、阻尼构件33和质量块31。所述弹性构件32可以是弹簧，主要用于提供刚度k；所述阻尼构件33可以是阻尼器，主要用于提供阻尼系数c；所述质量块31可以是铅块，主要用于提供质量m。
本实施例所述的减震抗滑桩结构，通过优化动力吸振器2的配置，可以大大提高抗滑桩结构的减震效果，以有效缓冲地震作用对路基工程4的影响，从而保证路基工程4在地震作用下的整体稳定性。
优选的，所述抗滑桩1的悬臂段还安装有桩板墙2。
实施例4
如图4所示，本实施例与实施例3的区别在于，所述减震抗滑桩结构，包括若干个抗滑桩1，相邻两个抗滑桩1之间连接有系梁5。此时所述动力吸振器3可以直接安装在有系梁5上。
实施例5
如图5所示，本实施例与实施例4的区别在于，所述抗滑桩1的悬臂段还安装有桩板墙2。
以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种减震抗滑桩结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：收集现场设计资料，包括地质资料、地震烈度划分、地震加速度，确定代表场地特征的地震波形和抗滑桩的质量；
步骤二：计算抗滑桩的桩顶水平位移S，
S＝S1+φ2·h+S2
式中，S1为抗滑桩悬臂段的顶面位移，φ2为抗滑桩地下段的顶面转角，h为抗滑桩悬臂段的高度，S2为抗滑桩地下段的顶面位移；
步骤三：计算抗滑桩的水平线刚度K，
步骤四：计算未安装动力吸振器时抗滑桩的最大位移xmax，
式中，M为未考虑桩结构阻尼的抗滑桩的质量，x为根据上式计算得到的抗滑桩的位移，xmax为x的最大值，为代表场地特征的地震波形；
步骤五：确定动力吸振器的最优解，
式中，m为动力吸振器的质量，μ为质量比，k为动力吸振器的刚度，c为动力吸振器的阻尼系数；
步骤六：根据步骤五的最优解形式，确定若干组动力吸振器参数(m1，k1，c1；m2，k2，c2；mi，ki，ci；…；mt，kt，ct)，其中，t为动力吸振器参数的组数，(mi，ki，ci)为动力吸振器的一组参数；
步骤七：计算安装动力吸振器后抗滑桩的最大位移xmax′，
式中，x为根据上式计算得到的抗滑桩的位移，xmax′为x的最大值，ci和ki分别代入步骤六中得到的若干组动力吸振器参数，1＜i＜t；
步骤八：确定动力吸振器的质量m、刚度k和阻尼系数c，
当xmax′/xmax的取值最小时对应的(mi，ki，ci)，即为减震效果最佳的动力吸振器参数，取该参数作为动力吸振器的质量m、刚度k和阻尼系数c。
2.根据权利要求1所述的一种减震抗滑桩结构的设计方法，其特征在于，所述步骤二中，抗滑桩悬臂段的顶面位移S1的计算公式为：
式中，E为抗滑桩的弹性模量，I为抗滑桩的截面惯性矩，h为抗滑桩悬臂段的高度。
3.根据权利要求1所述的一种减震抗滑桩结构的设计方法，其特征在于，所述步骤二中，抗滑桩地下段的顶面转角φ2和顶面位移S2的计算公式为：
φ2＝1·δMH+h·δMM
S2＝1·δHH+h·δHM
式中，h为抗滑桩悬臂段的高度，δHH、δMH为由于H0＝1所引起的顶面水平位移和转角，δHM、δMM为由于M0＝1所引起的顶面水平位移和转角，其中，H0为集中力，M0为弯矩。
4.根据权利要求3所述的一种减震抗滑桩结构的设计方法，其特征在于，δHH、δMH、δHM、δMM按照以下公式进行计算：
式中，此处的m为系数，通过查表TB10093-2017《铁路桥涵地基和基础设计规范》进行确定，bp为抗滑桩的计算宽度，无量纲系数A1，A2，A3，A4，B1，B2，B3，B4，C1，C2，C3，C4，D1，D2，D3，D4通过查《桩基工程手册》表4.3-2确定，E为抗滑桩的弹性模量，I为抗滑桩的截面惯性矩。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种减震抗滑桩结构的设计方法，其特征在于，所述步骤四能够在步骤三之后、步骤八之前的任何时刻进行实施。
6.一种减震抗滑桩结构，包括抗滑桩，其特征在于，在所述抗滑桩上安装有动力吸振器，所述动力吸振器包括质量块、弹性构件和阻尼构件。
7.根据权利要求6所述的一种减震抗滑桩结构，其特征在于，所述动力吸振器的质量m、刚度k和阻尼系数c均按照如权利要求1-5任一所述的减震抗滑桩结构的设计方法进行确定。
8.根据权利要求6所述的一种减震抗滑桩结构，其特征在于，还包括连接相邻两个抗滑桩的系梁。
9.根据权利要求6所述的一种减震抗滑桩结构，其特征在于，所述抗滑桩的悬臂段还安装有桩板墙。
10.根据权利要求6-9任一所述的一种减震抗滑桩结构，其特征在于，所述动力吸振器安装在所述抗滑桩的顶部。
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