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1、 毕业设计（论文）毕业设计（论文）题 目 宁波音王办公楼 姓 名 黄键雨 学 号 3070621064 专业班级 07 土木工程（结构方向）2 班 指导教师 刘 玮 分 院 土木建筑工程分院 完成日期 2011 年 5 月 23 日 宁波理工学院宁波理工学院大直径桩的单桩承载力综述摘要：由于大直径桩的承载力高、变形小，与普通中、小直径桩存在明显差异。因此，不宜用中小直径来分析大直径桩。采用理论分析及逐步调整参数的方法拟合试验资料，确定出理论分析模型的参数。对大直径桩承载力的确定方法和各自的优缺点进行系统的总结。关键词：大直径桩， 承载力，单桩一、引言由于高层建筑的迅速发展、施工技术的进步，以及
2、修建跨越长江、黄河、海湾、海峡等特大型桥梁1，工程建设中采用一柱（墩）一桩的单桩结构的情况日趋增多。大直径桩的采用可以显著提高单桩的承载力，高层建筑、大跨度建筑、大型桥梁的发展都要求提高基础的承载力，为大直径桩的应用与研究提供了契机2。因此，大直径桩承载力的确定就成为大直径桩基设计的核心问题。大直径桩一般设置在较好的持力层上，单桩承载力较高，可通过扩大直径来调整承载力以适应承担结构荷载的要求；由于大直径桩单项工程试桩数量较少，积累的单桩承载力试桩资料较少，而对于仅有的少量试桩又受到实验设备和经费的限制，较难取得完整的实测荷载-沉降曲线，给试验结果的分析造成较大的困难。目前对大直径桩的承载力尚未
3、取得统一的取值方法，进一步探讨大直径桩的受力性能，提出合理的承载力计算模式及相应的计算参数是目前急需解决的问题。目前，大直径桩单桩承载力的确定方法大致可分为直接法和间接法两类。直接法是对桩进行现场静荷载试验，动力测桩法等；间接法是通过其他手段获得单桩的端阻力和侧阻力，并由此确定单桩承载力。本文就大直径单桩承载力的确定方法进行了综合评述。二、大直径桩承藏力确定方法(一)静载荷试验法静载荷试验是确定单桩承载力的基本方法，是最直接最可靠的检测方法。大直径桩的 Q_s 曲线关系一般擎缓变型。大直径钻孔灌注桩的极限承载力取值应由变形控制来确定，可取桩顶沉降 S=4060mm 所对应的荷载值或者(O030
4、06)D(D 为桩端直径，大桩径取低值，小桩径取高值)所对应的荷载3。对于沉降不敏感的结构物桩基础，一般可取 s=OOID 对应的荷载为承载力允许值或设计值4对于沉降敏感的结构物单桩摹础，宜按等变形的准则确定不同直径桩的承载力设计值。许多国家的地基基础设计规范和工程实践都将该方法置于优先的位置，并作为与其他方法的比较依据。该方法的缺点是成本高、工程量大、时间长等。传统的单桩载荷试验方法有两种，一是堆载法，二是锚桩法。前者必须解决几百吨甚至数干吨的荷载堆放及运输问题，后者必须设置很多根锚桩及反力大梁。对于大直径桩来讲，由于其承载力非常大，工作难度更大，费用也非常大。近年静载试桩的载荷量达到 21
5、060kN5，甚至超过 100000kN6。静力测桩法是一种仍在不断发展的可靠方法，今后的发展方向应该是逐渐克服其成本高、工期长、占阳施上场地、试桩载荷小等缺点。(二)原位测试法用原位测试法确定单桩承载力，在国外已经较普遍采用。该方法主要的特点就是采用适用于小桩的静荷载试验所得到的荷载传递资料来间接确定大桩承载力，其中最常用的有静力触探(CPT)法、标准贯入试验(SPT)法、旁压试验法等7原位测试法，除应满足建筑桩基技术规范J G J 9 4 9 4 有关规定外，试桩的施工工艺一定要与程桩相同 。当预计工程桩人土深度很大，与之同深度的小直径桩的承载力仍超出本地区试验设备的加载能力时，可采用分段
6、压桩的方法 。对于测试深埋土层的试桩， 其上段应采用双层钢套筒结构与周围土体隔离，并在两套筒间设置活动的铰支承以保证试桩 自由段的稳定性。另外，双层钢套简下端需设封闭装置， 上端需设临时封闭装置 ，以防止混凝土进入两层钢套筒之间形成固定的连接。按本方法的要求，静载试验必须测出完整的桩顶荷载一沉降曲线 ，以及各级荷载下桩轴向力沿深度的分布。因此，需根据土层沿深度的分布，在桩身相应于土层分界面位置对称布置钢筋计，至少三只8。在用试算法拟合轴 向力沿深度的分布时，应选择低、中、高三级荷载进行拟合并以高荷载的轴向力沿深度分布的拟合为主要目标。本文拟合方法的步骤如下：（1）确定模型参数的初始值；（2）桩
7、顶荷载一沉降曲线的拟合；（3）桩轴向力的拟合；（4）迭代调整参数。参数的进一步处理：则可视所得的参数为上限值或平均值，再根据同类土在同一场地的离散性确定出各参数的取值区间，取区间的下限值或中值为参数的代表值。破坏标准及土阻力的发挥：由理论分析得到的荷载一沉降曲线确定出单桩的极限承载力， 以及与之相应的各土层发挥出来的侧阻及端阻。 此测试法结论：（1）提出的研究大直径桩竖向承载性能的方法保留了现场静载试验方法的优点，克服了其加载能力的限制；发挥了理论分析方法的优点，可以根据小直径桩的试验结果有根据地确定大直径桩的性能。 （2）模型参数由现场静载试验资料确定，更为真实可靠，从而保证理论分析结果与实
8、际相符。（3）考虑试验代表性及尺寸效应修正极限端阻和极限侧阻，符合大直径桩的特点及工程要求。 （4）所采用的理论分析方法能较好地模拟桩与周围土体的相互作用， 模型参数与桩常规分析方法的参数相应，例如土的极限端阻和极限侧阻，便于将它们引用到常规分析中。 （5）明确了常规计算中土层极限端阻和极限侧阻的概念及影响因素，并可按本文方法确定。 (三)自平衡测试法自平衡测试法是确定单桩承载力的一种有效方法。尤其对于大直径桩效果更明显美国 Osterberg 教授于 20 世纪 80 年代中期首先开展了桩承载力自平衡法的研究9。目前该方法在美国被广泛应用，近年在加拿大、英国、日本及香港也逐渐推广，试桩承载力
9、已经达到了 133000kN5龚维明等自 1996 年起对该法的关键设备荷载箱和位移量测、数据采集处理系统进行了研究开发，取得了显著的成果10该方法的原理是在桩的中下部埋设一个荷载箱，沿垂直方向通过油压管加压。随着压力增大，荷载箱将自动脱离，从而调动桩侧阻力及桩端阻力的发挥，直到破坏。通过测得的两条向上、向下的 Q-S 曲线就可比较准确地得出桩的抗拔承载力及桩下段的抗压承载力，再经过换算，可得到单桩的抗压承载力1112。该方法构思巧妙，装置简单，可节省人力、财力，场地占用少，对场地的适应性好，因此特别适用于堆载试验比较困难的地方，适用于承载力高的大直径桩。具有很大的发展前途。(四)理论分析法在
10、工程设计中桩的承载力和沉降是两个基本参数。目前桩的沉降计算方法主要有荷载传递分析法、弹性理论法、分层总和法、剪切变形传递法、有限元分析法以及规范简化方法等4在各种分析方法中。弹性分析模型应用最为普遍。RichwienClark，1988 年)表示，一个单一的 TMD 往往不能有效减轻地震灾害的反应。得出这样的结论主要出于以下两个原因：第一，地震载荷通常是瞬间冲击并迅速达到最高值的。而在这么短的时间内，一个受到经过建筑物过滤的动态载荷的 TMD 通常是无法运转地如此迅速并发挥其显著功效的。结果就是，在最紧要的关头它的能量吸收能力不能得到充分施展。重量越重的 TMD，要完全发挥自己潜在能量的速度就
11、越慢。第二，地震运动包含的频率分布范围很广，并且经常引发高层建筑初级或者更高级别的剧烈振动。因此，单个的 TMD 可能无法降低建筑物的总响应。Chowdhury 等人在 1987 年的调查显示：一个调谐至结构性系统基本模式的 TMD 甚至可以放大高等模式耦合效应带来的反应。第一作者（注：即 Chowdhury）认识到单一 TMD 的这些缺陷之后，抱着减少每个阻尼器惯性，解耦高振型的基本原理和结构的意图提出了多级调质块系统(Chen，1996 年)。然而, 多级阻尼器方案即每层楼都安装一个阻尼器并不能很好地减少结构性反应。其他研究人员也研究了多种调谐质量阻尼器(MTMD)，他们把这些调谐质量阻尼
12、器调成不同的模式,放置在不同的地方以提高阻尼器的性能(Clark，1988)。这些研究结果证实了 MTMD 系统在地震应用中的优势。然而据笔者所知，至今仍没有关于为了追求最佳性能而把多个不同频率的阻尼器放置在多层建筑中不同位置的系统方法的著作问世。MTMD 除了具有优良的性能之外，它还是由小巧轻便的分布式阻尼器组合而成的，也就是说往往不需要专门腾出任何空间就能把它放置好。因此,无论工程师在建筑的哪一个楼层都能够充分利用多余的空间并以极具成本效益的方式进行设计。由于阻尼器重量很轻,所以即使它发生故障也不会对结构响应造成不利影响，因此 MTMD 系统具有较好的实用性。另外，关于结构控制的制动器的数
13、量及其优化配置其他一些研究人员也有所发现(Chang 和 Soong，1980 年; Cheng 和 Pantelides，1988 年)。他们运用的是基于一个标量衡量可控性，也就是能控性指数的研究方法。1988 年由 Cheng等人开发出的关于地震应用的特殊指数是一个由不受控制的结构和某个特定地震的响应谱组合而成的函数模式。根据这一指数，控制器应该被放置在一个不受控制结构的位移或相对位移响应最大的位置上。继而在 1990 年，Zhang 提出了确定粘弹阻尼器最佳安装位置的方法和步骤。他用传递矩阵法计算出房屋受到随机激励时的反应。在完成一个或多个粘弹阻尼器之后，他还考虑了结构的替代模态振型。放
14、置阻尼器的最佳位置是位于层间剪力峰值的那一点。地震发生时，对建筑的潜在破坏主要与楼层位移有关。然而像机电组件这样的房屋设施的损失则是由它们所附着的楼层上超负荷的加速度造成的。历史上的地震，如 1989 年 Loma Prieta 地震已经证明：受灾地区总经济损失的很大一部分是由建筑物设施的损失构成的。因此，楼层位移和加速度都是在实际设计时要考虑的重要参数。本文旨在研究地震对多层建筑的非结构构件造成一定程度上的潜在伤害时，MTMD 系统究竟起到多大效用。重点放在阐释 MTMD 如何在振动模式之间分布，又如何安装在各种各样的楼层才能使地板加速度显著降低这些问题之上。这样做的目的是为了寻求一套合理精
15、准、实阿践性强的在建筑物中布置质量阻尼器的优化方案。文章针对单个 TMD 对楼层位移和多层建筑绝对加速度的影响进行了调研，并揭示了传统 TMD 方案在抗震应用中出现的相关问题。随后介绍了由众多纤小轻便的振荡器构成的多级、多模调谐质量阻尼器模式。此外，文章还对一些最佳安置指标进行了定义，以此推进了一系列振荡器优化设计与布置的发展。二、建筑结构响应控制的 MTMD 系统考虑一个粘性阻尼线性的 N 层大楼的结构，一个振荡器或闸数在各楼层安装控制建筑物的反应，如图 1。理论上，一个最大的地板加速减少 MTMD 的优化设计方案在每个涉及的结构，质量振动模式之间的分布，对建筑的每个楼层放置振荡器振荡器的振
16、动模式的频率分布。由于调整到一个振荡器的振动模式数相当于一个单一的质量阻尼器的最大加速度在减少条款（徐和井草 1992），它们被认为是在这项研究中有相同的频率。因此，这些振荡器在图 1 所示的结构，可分为 Ng 组数。在每个组中的所有具有相同的频率和阻尼特性，并且调整为一体的建筑结构模式。三、运动方程对 MTMD 的建筑系统“见图 1”的运动方程可以写成向量矩阵形式(1)(2)图 1 多层建筑结构和 MTMD 的模型运动微分方程其中 M，C 和 K 表记的 NN 维质量，阻尼，以及建筑结构，分别刚度矩阵；为 Y（t）= N 维向量代表结构位移相对于它的基础和（t）=它的第 j 个元素；Z（t）代表从 MTMD 的组成部分建筑物及其行事的第 j
