預應力混凝土管樁水平承載特性試驗模型及建模方法
2023-06-01 22:29:31 1
預應力混凝土管樁水平承載特性試驗模型及建模方法
【專利摘要】本發明公開了一種預應力混凝土管樁水平承載特性試驗模型及建模方法，模型包括一個模型槽，所述的模型槽內設有用於承載模型樁的承臺，且模型樁的上端嵌入到承臺中；在所述的模型槽的上方設有一個與反力架相連的且對承臺實施垂直力的豎向加載系統，模型槽內側設有與其連接的且對承臺實施水平力的水平加載系統，且在所述的承臺、模型樁和加載系統上設有監測裝置。本發明提供一種能夠較好地控制樁基荷載試驗的荷載條件要求，更真實地模擬樁基的實際工作狀況，探究管樁單樁和群樁在水平荷載作用下承載特性的試驗裝置。
【專利說明】預應力混凝土管粧水平承載特性試驗模型及建模方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種土建試驗模型及方法，尤其是一種建築結構預應力混凝土管樁的承載特性試驗模型及方法。
【背景技術】
[0002]預應力混凝土管樁的水平承載特性研究主要包括管樁單樁的水平承載特性研究、管樁群樁的水平承載特性研究以及管樁群樁承受豎向荷載作用下的水平承載特性研究。由於樁基屬於地下工程，不確定因素較多，現場試驗受工程的建設工期、環境因素、人為因素的影響，難以全面的多工況的分析研究樁基的承載特性。因此現階段對於樁基礎的研究主要依賴於數值計算、理論分析等方法。但是數值計算等方法受物理參數和本構模型的影響較大，因此計算結果的真實性和精確性難以判定，有時結果跟工程實際相差很大。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在於克服上述現有技術的不足，提供一種能夠較好地控制樁基荷載試驗的荷載條件要求，更真實地模擬樁基的實際工作狀況，探究管樁單樁和群樁在水平荷載作用下承載特性的試驗裝置。
[0004]本發明採用的技術方案如下:
[0005]預應力混凝土管樁水平承載特性試驗模型，包括一個模型槽、承臺和模型樁，在所述的模型槽的上方設有與其連接的且對承臺實施垂直力的豎向加載系統，內側設有與其連接的且對承臺實施水平力的水平加載系統，所述的模型樁的上端嵌入到承臺中，且在所述的承臺和模型樁上設有監測裝置。
[0006]所述的監測裝置為設置於承臺上的千分表和設置於模型樁上的應變片。
[0007]所述的豎向加載系統包括載油壓千斤頂1、設置於千斤頂I端部的壓力傳感器和豎向反力架，所述的豎向反力架活動安裝在與其連接的模型槽的頂部，且載油壓千斤頂I的豎向安裝在豎向反力架的頂部。
[0008]所述的水平加載系統包括載油壓千斤頂II和設置於千斤頂端部的壓力傳感器II，所述的載油壓千斤頂II水平安裝在與其連接的模型槽的上。
[0009]所述模型槽包括多個通過螺栓連接在一起的鋼板焊接框架單元，在所述的焊接框架單元內嵌有鋼化玻璃，所述的鋼化玻璃中間部位設置有與外界相通的直徑為40_的排水孔；
[0010]所述模型樁為有機玻璃管樁，在其外側粘貼有電阻應變片。
[0011]預應力混凝土管樁水平承載特性試驗模型的建模方法，如下:
[0012]步驟I採用相似第二定理(π定理)來確定原型與試驗模型之間的量綱關係；
[0013]步驟2根據研究對象的形狀、荷載類型、荷載和位移量，使用方程分析法導出原型與試驗模型的相似準則；
[0014]步驟3確定模型的相似係數；[0015]步驟4根據步驟3得到的相似係數，設計試驗模型。
[0016]步驟I所述的模型試驗相似設計具體過程如下:
[0017]設一個物理現象如果含有η個物理量，其中有m個為基本物理量(其量綱是相互獨立的)，那麼這η個物理量表示成是(n-m)個相似準則π 」 Ji2,, n n_m之間的函數關係；按此定理，亦即:
[0018]fj = (Ji 1； Ji2,..., Jin_m) = O (式 I)
[0019]式中:Ji n—第η個物理量。
[0020]式(I)即為相似準則關係式或π關係式，式中π項即為相似準則。
[0021]定理的作用:對於彼此相似的現象，在對應點和對應時刻上相似準則都保持同一值，所以它的H關係式也應當是相同的；用下標「P」和「m」分別表示原型和模型，則π關係式分別為:
[0022]f1= (π1ρ, π 2ρ,…，Ji (n_m)p) = 0 (式 2)
[0023]f2 = ( π lm, Ji 2m,…，Ji (n_m)m) = 0 (式 3)
[0024]其中:JIlDi= JI lp ; JI2ni=JI2p ; ；π (n-m)m=^ (n-m)p (式 4)
[0025]式中:31 lD1—模型中第一個物理量；
[0026]Ji lp—原型中第一個物理量。
[0027]由式(4)可見，如果把某現象的試驗結果整理成式(I)所示的無量綱的η關係式，則該關係式便可推廣到與它相似的所有其它現象上去；而在推廣的過程中，由式(4)可知，並不需要列出各η項間真正的關係方程(不論該方程發現與否)。
[0028]步驟2的相似準則的導出過程如下:
[0029]本發明所研究對象為彈性長樁，荷載類型為水平靜載，因此按照靜力形似模型設計；且荷載和位移量均較小，選用彈性地基梁撓曲微分方程為計算依據，使用方程分析法導出相似準則，如下:
【權利要求】
1.預應力混凝土管樁水平承載特性試驗模型，其特徵在於:包括一個模型槽，所述的模型槽內設有用於承載模型樁的承臺，且模型樁的上端嵌入到承臺中；在所述的模型槽的上方設有一個與反力架相連的且對承臺實施垂直力的豎向加載系統，模型槽內側設有與其連接的且對承臺實施水平力的水平加載系統，且在所述的承臺、模型樁和加載系統上設有監測裝置。
2.如權利要求1所述的預應力混凝土管樁水平承載特性試驗模型，其特徵在於:所述的監測裝置為設置於承臺上的千分表、設置於模型樁上的應變片、設置於模型樁周圍的土壓力盒。
3.如權利要求1所述的預應力混凝土管樁水平承載特性試驗模型，其特徵在於:所述的豎向加載系統包括載油壓千斤頂I，所述的載油壓千斤頂I豎向安裝在反力架上，所述的反力架安裝在承臺的頂部；且在千斤頂I端部設有壓力傳感器I。
4.如權利要求1所述的預應力混凝土管樁水平承載特性試驗模型，其特徵在於:所述的水平加載系統包括載油壓千斤頂II，所述的載油壓千斤頂II水平安裝在與其連接的模型槽的內壁上，且在千斤頂II端部設有壓力傳感器II。
5.如權利要求1所述的預應力混凝土管樁水平承載特性試驗模型，其特徵在於:所述模型槽包括多個連接在一起的鋼板框架單元，在所述的框架單元內嵌有鋼化玻璃；所述的鋼化玻璃中間部位設置有與外界相通的排水孔；所述模型樁為有機玻璃管樁，在其外側粘貼有電阻應變片。
6.如權利要求1-5任一權利要求所述的預應力混凝土管樁水平承載特性試驗模型的建模方法，其特徵在於，包括如下步驟: 步驟I採用相似第二定理來確定原型與試驗模型之間的量綱關係； 步驟2根據彈性長樁的形狀、荷載類型、荷載和位移量，使用方程分析法導出原型與試驗模型的相似準則； 步驟3確定模型的相似係數； 步驟4根據步驟3得到的相似係數，建立試驗模型。
7.如權利要求6所述的建模方法，其特徵在於，所述的步驟I具體過程如下:所述的原型與試驗模型之間的量綱關係的量綱關係如下: 用下標「P」和「m」分別表示原型和模型，則對應的量綱如下:
fl = ( 31 Ip, 31 2P,...，31 (n-m)p) = ?(式 2)
f2 = ( lm, 2m,…，11 (n-m)m) = ?(式 3)
其中:11 Im- 11 Ip ; 11 2m~ 11 2p ; ; 11 (n_m)m_ 11 (n_m)p (式 4) 式中:31 1π—模型中第一個物理量； H 1ρ—原型中第一個物理量。
8.如權利要求6所述的建模方法，其特徵在於，所述的步驟2具體過程如下: 所述的彈性樁的形狀為彈性長樁，所述的荷載類型為水平靜載；所述的水平位移小於等於40mm ;所述的最大載荷小於等於8000N ;選用彈性地基梁撓曲微分方程為計算依據，使用方程分析法導出原型與試驗模型的相似準則，如下: 相似準則式(I)
9.如權利要求6所述的建模方法，其特徵在於，步驟3所述的模型相似係數如下: 幾何相似吊數:CL=CL模型/Cl實際=0.1 ； 填築材料相似常數:CE1=1 模型樁彈性模量相似常數為:GE2_Ge 麵/Ce 實卩示 _0.I ； 由相似準則式(I)得位移相似常數=Cyz=I ； 由相似準則式(2)得彎矩相似常數:CM=0.001 ； 由相似準則式(3)得荷載相似常數:CF=0.01。
10.如權利要求6所述的建模方法，其特徵在於，步驟4所述的試驗模型的建立包括試驗設備和試驗材料: 步驟4-1試驗設備，主要包括加載系統、模型槽以及監測系統； (1)模型槽設計 根據幾何相似常數:Cl=ClM/(^Ρ?=(λ I確定模型樁尺寸； 根據荷載相似常數Cf=0.01確定加載過程中水平荷載和豎向荷載； 根據彎矩相似常數Cm=0.001確定確定原型中彎矩值； (2)加載系統 加載系統包括豎向加載系統和水平加載系統，其中豎向加載系統提供50kN的豎向荷載，水平加載系統提供300kN的水平荷載； (3)監測系統 千分表的量程為50mm ； 電阻式土壓力盒的量程為0.6MPa ； 電阻式應變片採用BX120-5AA系列應變片。 步驟4-2模型試驗材料主要包括:模型樁、模型填料和承臺材料； (1)模型樁材料及尺寸確定 模型樁材料的確定準則: a、能模擬樁土的軟硬差別；b、能模擬樁土界面的粗糙度； C、能加工及設置測試元件；d、所選材料價格低，取材方便； e、所選材料的尺寸能試驗模擬不同樁徑、壁厚的控制分析； 模型樁的尺寸確定準則: 根據幾何相似比(1: 10)確定模型樁尺寸； (2)填築材料選取準則A:能反應群樁結構的受力變形規律；B:填築材料相似常數:CE1=1 ；(3)承臺材料選取準則能模擬樁-土-承臺的協調變形特性。
【文檔編號】E02D33/00GK103898930SQ201410143255
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月10日 優先權日:2014年4月10日
【發明者】王基文, 宋修廣, 亓樂, 張宏博, 任憲駿, 莊培芝, 楊慶義, 周志東, 嶽紅亞, 吳建清 申請人:山東電力工程諮詢院有限公司