【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及土木工程，具体涉及一种预应力空心方桩水平承载性能分析方法。
技术介绍
1、目前，市面上桩型按其制备地点的不同主要分为灌注桩和预制桩。灌注桩具有工艺成熟、一体性好的特点。但是，灌注桩的承载力较低、对施工环境要求高且成桩速度慢，难以符合全部工程条件。相比于灌注桩，预制桩则在厂内预制完成，在工程现场吊装沉桩完毕后即可使用，其同样工况下比灌注桩的承载力高，在实际工程中已得到广泛应用。
2、考虑到不同工程所采用的桩型不同，桩型的不同直接影响桩基的承载性能，所以需要对不同类型桩基的承载力及影响因素进行研究。由于桩基的承载方式为摩擦桩或端承摩擦桩时，其侧面积决定了桩身的承载力。相较于混凝土管桩，预应力空心方桩的侧面积大，在保持截面积不变的情况下具有更大的承载力，同时，预应力空心方桩采用离心法制成，降低了桩身自重，减少了桩中心处的材料强度浪费，造价更为低廉，所以预应力空心方桩相比于预应力空心管桩具有节约材料、抗弯能力强、侧摩阻力大、抗震性能好、承台成本低的有点。但是，现阶段对于预应力混凝土方桩的研究尚处于起步阶段，对于预应力混凝土方桩的受力特点研究较为欠缺。
3、因此，亟需提出一种预应力空心方桩水平承载性能分析方法，通过分析预应力空心方桩水平承载性能的影响因素，为预应力空心方桩的力学响应特征研究提供了依据。
技术实现思路
1、本专利技术旨在准确获取预应力空心方桩的力学响应特征，提出了一种预应力空心方桩水平承载性能分析方法，通过分析土体条件及外部荷载对预应力空心
2、本专利技术具体采用如下技术方案：
3、一种预应力空心方桩水平承载性能分析方法，具体包括以下步骤：
4、步骤1，根据施工现场的土体实验数据和预应力空心方桩的设计方案，基于有限元软件构建包括土体模型和桩体模型的预应力空心方桩模型；
5、步骤2，设置预应力空心方桩模型中土体模型和桩体模型之间的接触方式和接触属性；
6、步骤3，对预应力空心方桩模型进行三维空间网格划分，得到网格划分后的预应力空心方桩模型；
7、步骤4，对预应力空心方桩模型进行地应力平衡，分析地应力平衡前后预应力空心方桩模型中土体模型的地应力分布和土体模型的位移；
8、步骤5，基于降温法向预应力空心方桩模型施加预应力；
9、步骤6，设置预应力空心方桩模型的荷载加卸载方式和停止加载条件；
10、步骤7，对预应力空心方桩模型进行土体力学响应试验，分析土体条件对桩体模型位移的影响，获取内摩擦角与桩体模型顶面位移关系曲线以及桩体模型顶面位移随泊松比变化曲线图，确定内摩擦角和桩体顶面周围土体的泊松比对预应力空心方桩水平位移的影响；
11、步骤8，对预应力空心方桩模型施加外部荷载，分析外部荷载对预应力空心方桩桩身位移的影响，确定下压作用、上拔作用、水平荷载方向与桩侧夹角对于预应力空心方桩桩身位移的影响；
12、步骤9，综合土体条件对桩体模型位移的影响以及外部荷载对预应力空心方桩桩身位移的影响，得到预应力空心方桩的水平承载性能。
13、优选地，所述土体模型根据施工现场的土体实验数据构建，所述土体实验数据中包括所有土层的土层编号、层底埋深、土质类型、密度、杨氏模量、泊松比、摩擦角和粘聚力；
14、根据预应力空心方桩的设计方案构建桩体模型，所述桩体模型包括混凝土模型和钢筋模型，所述设计方案中包括预应力空心方桩的桩体尺寸、空心尺寸以及混凝土的材料、弹性模量、泊松比和钢筋的材料、弹性模型、泊松比、布设位置。
15、优选地，所述土体模型为mohr-coulomb弹塑性模型，土体模型中内摩擦角、土体粘聚力与剪应力之间的关系为：
16、
17、式中，τ为任意截面处的剪应力；为土体内摩擦角；c为土体粘聚力；
18、所述土体模型的应力应变关系为：
19、
20、式中，ψ为膨胀角；ε为塑性势面形状参数；s为塑性势面形状；rmw为塑性势面控制参数；q为球应力，用于反映围压大小；p为剪应力，用于反映剪切效果；
21、所述钢筋模型设置为双斜线模型。
22、优选地，所述预应力空心方桩模型中，桩体模型埋于土体模型中，桩体模型顶面高于土体模型顶面，桩体模型的四个侧面和一个底面均与土体模型相接触，接触方式设置为面对面接触；
23、所述接触属性包括法向接触属性和切向接触属性，法向接触属性设置为硬接触，切向接触属性设置为罚函数。
24、优选地，所述步骤3中，对预应力空心方桩模型沿水平方向进行网格划分，包括土体模型、桩体模型和钢筋模型的网格划分，得到预应力空心方桩模型单元格，具体包括土体模型单元格、桩体模型单元格和钢筋模型单元格；
25、先对预应力空心方桩模型的土体模型进行网格划分；
26、在水平方向上划分预应力空心方桩模型的土体模型，沿土体模型和桩体模型各边水平正交方向进行网格划分，结合土体模型距离桩体模型侧面之间的距离，将距离桩体模型侧面0.1m的土体模型均匀划分为尺寸为0.1m×0.1m的单元格，将距离桩体模型侧面为5倍桩体模型边长的土体模型均匀划分为边长为0.2m×0.2m的单元格，其余部分的土体模型均匀划分为边长为0.4m×0.4m的单元格，再在垂直方向上划分预应力空心方桩模型的土体模型，根据桩体模型的长度，将桩体模型长度范围内的土体模型在垂直方向上按照0.5m的长度均匀划分，其余部分的土体模型在垂直方向上按照1.0m的长度均匀划分，得到多个土体模型单元格；
27、再对预应力空心方桩模型的桩体模型进行划分；
28、在水平方向上沿着桩体模型的对称轴以及两条对角线将桩体模型均匀分为八等份后，将桩体模型的各边长均匀划分为十等份，再沿桩体模型的轴向方向按照0.125m的长度均匀划分，得到多个桩体模型单元格。
29、优选地，所述步骤4中，基于odb分析法，先将预应力空心方桩模型中的土体模型作为独立模型在重力荷载下进行自平衡，获得土体模型的初始应力和初始位移后，去除预应力空心方桩模型空心结构内的土体模型，对土体模型进行静力分析获取桩体模型的应力分布情况，再将桩体模型的应力作为预定义场，向预应力空心方桩模型的桩体模型施加重力荷载，使得预应力空心方桩模型恢复地应力平衡，分析预应力空心方桩模型地应力平衡前后土体模型的应力分布，确定预应力空心方桩模型中土体模型的位移。
30、优选地，预设预应力空心方桩模型中钢筋模型的最低温度，如公式(3)所示：
31、
32、式中，e为混凝土弹性模量，a为预应力钢筋的膨胀系数，σ为需要在桩身上施加的预应力；
33、采用降温法通过将钢筋模型降温至预设的最低温度，向钢筋模型施加应力。
34、优选地，基于耦合加载方式进行荷载本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种预应力空心方桩水平承载性能分析方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的预应力空心方桩水平承载性能分析方法，其特征在于，所述土体模型根据施工现场的土体实验数据构建，所述土体实验数据中包括所有土层的土层编号、层底埋深、土质类型、密度、杨氏模量、泊松比、摩擦角和粘聚力；
3.如权利要求2所述的预应力空心方桩水平承载性能分析方法，其特征在于，所述土体模型为Mohr-Coulomb弹塑性模型，土体模型中内摩擦角、土体粘聚力与剪应力之间的关系为：
4.如权利要求1所述的预应力空心方桩水平承载性能分析方法，其特征在于，所述预应力空心方桩模型中，桩体模型埋于土体模型中，桩体模型顶面高于土体模型顶面，桩体模型的四个侧面和一个底面均与土体模型相接触，接触方式设置为面对面接触；
5.如权利要求1所述的预应力空心方桩水平承载性能分析方法，其特征在于，所述步骤3中，对预应力空心方桩模型沿水平方向进行网格划分，包括土体模型、桩体模型和钢筋模型的网格划分，得到预应力空心方桩模型单元格，具体包括土体模型单元格、桩体模型单元格和钢筋模型单
6.如权利要求1所述的预应力空心方桩水平承载性能分析方法，其特征在于，所述步骤4中，基于ODB分析法，先将预应力空心方桩模型中的土体模型作为独立模型在重力荷载下进行自平衡，获得土体模型的初始应力和初始位移后，去除预应力空心方桩模型空心结构内的土体模型，对土体模型进行静力分析获取桩体模型的应力分布情况，再将桩体模型的应力作为预定义场，向预应力空心方桩模型的桩体模型施加重力荷载，使得预应力空心方桩模型恢复地应力平衡，分析预应力空心方桩模型地应力平衡前后土体模型的应力分布，确定预应力空心方桩模型中土体模型的位移。
7.如权利要求1所述的预应力空心方桩水平承载性能分析方法，其特征在于，预设预应力空心方桩模型中钢筋模型的最低温度，如公式(3)所示：
8.如权利要求1所述的预应力空心方桩水平承载性能分析方法，其特征在于，基于耦合加载方式进行荷载加载，先根据预设的顶压值，向预应力空心方桩模型的桩体模型顶面施加竖向荷载，再在桩体模型顶压值的作用下，向预应力空心方桩模型的桩体模型施加水平荷载；
9.如权利要求1所述的预应力空心方桩水平承载性能分析方法，其特征在于，所述步骤7中，包括以下子步骤：
10.如权利要求1所述的预应力空心方桩水平承载性能分析方法，其特征在于，所述步骤8中，包括以下子步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种预应力空心方桩水平承载性能分析方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的预应力空心方桩水平承载性能分析方法，其特征在于，所述土体模型根据施工现场的土体实验数据构建，所述土体实验数据中包括所有土层的土层编号、层底埋深、土质类型、密度、杨氏模量、泊松比、摩擦角和粘聚力；
3.如权利要求2所述的预应力空心方桩水平承载性能分析方法，其特征在于，所述土体模型为mohr-coulomb弹塑性模型，土体模型中内摩擦角、土体粘聚力与剪应力之间的关系为：
4.如权利要求1所述的预应力空心方桩水平承载性能分析方法，其特征在于，所述预应力空心方桩模型中，桩体模型埋于土体模型中，桩体模型顶面高于土体模型顶面，桩体模型的四个侧面和一个底面均与土体模型相接触，接触方式设置为面对面接触；
5.如权利要求1所述的预应力空心方桩水平承载性能分析方法，其特征在于，所述步骤3中，对预应力空心方桩模型沿水平方向进行网格划分，包括土体模型、桩体模型和钢筋模型的网格划分，得到预应力空心方桩模型单元格，具体包括土体模型单元格、桩体模型单元格和钢筋模型单元格；
6.如权利要求1所述的预应力空心方桩水平承载性能分析方法，其特征...
【专利技术属性】
技术研发人员：马莹莹，王威，王莹，陈海阳，刘晓鹏，耿浩，王玉栋，门小荻，武汶北，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：
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