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1、1第六章 导管架设计 第一节第一节 设计依据及设计内容设计依据及设计内容第二节第二节 设计计算模型设计计算模型第三节第三节 设计计算刚度矩阵设计计算刚度矩阵第四节第四节 杆件端点变位与受力杆件端点变位与受力第五节第五节 导管架构件强度校核导管架构件强度校核导管架设计导管架设计本章主要内容本章主要内容桩基（按施工方法）桩基（按施工方法）打入桩基础打入桩基础钻孔灌注桩基础钻孔灌注桩基础桩基（按承载性状）桩基（按承载性状）摩擦型桩摩擦型桩第一节第一节 设计依据及设计内容设计依据及设计内容钟型桩基础钟型桩基础端承型桩端承型桩需考虑土质条件、桩的需考虑土质条件、桩的用途、桩的承载能力、用途、桩的承载能力
2、、地基类型、施工条件等地基类型、施工条件等因素选择桩基型式因素选择桩基型式纯摩擦桩（桩端阻力可忽略）纯摩擦桩（桩端阻力可忽略）端承摩擦桩（桩端阻力和侧端承摩擦桩（桩端阻力和侧摩阻力同时发挥作用）摩阻力同时发挥作用）端承桩（桩侧摩阻力可忽略）端承桩（桩侧摩阻力可忽略）摩擦端承桩（桩端阻力和侧摩擦端承桩（桩端阻力和侧摩阻力同时发挥作用）摩阻力同时发挥作用）常用常用一、设计导管架的基本依据一、设计导管架的基本依据1.1.水深：影响导管架几何形状、平台安装工艺、平台基底的倾覆力矩大小水深：影响导管架几何形状、平台安装工艺、平台基底的倾覆力矩大小2.2.海洋环境：决定导管架结构几何形状的主要因素海洋环境
3、：决定导管架结构几何形状的主要因素3.3.甲板空间：决定导管架顶部尺度的重要因素甲板空间：决定导管架顶部尺度的重要因素4.4.施工场地与施工设备：与导管架几何形状的选择有关施工场地与施工设备：与导管架几何形状的选择有关第一节第一节 设计依据及设计内容设计依据及设计内容一个好的平台设计，应具有满意的使用效果、较少的维修和初始投资一个好的平台设计，应具有满意的使用效果、较少的维修和初始投资4.4.导管架结构受力分析：通常要考虑导管架在建造、运输、下水、吊装、导管架结构受力分析：通常要考虑导管架在建造、运输、下水、吊装、使用过程中出现的最不利荷载及其组合，确定各构件的应力，由此选择经使用过程中出现的
4、最不利荷载及其组合，确定各构件的应力，由此选择经济合理的截面济合理的截面5.5.构件尺寸确定：对所选构件进行校核，确定构件的尺寸。导管架构件设构件尺寸确定：对所选构件进行校核，确定构件的尺寸。导管架构件设计的重点在于管节点设计及其疲劳设计、杆件的断面选择计的重点在于管节点设计及其疲劳设计、杆件的断面选择6.6.动力分析和疲劳分析：动力分析和疲劳分析：1 1）对于深水导管架，当结构自振周期接近平台安装水域内的波浪中主要能）对于深水导管架，当结构自振周期接近平台安装水域内的波浪中主要能量的波分量频率时，应对导管架进行动力分析量的波分量频率时，应对导管架进行动力分析2 2）当结构自振周期）当结构自振
5、周期T T大于大于3 3秒时，应对导管架管节点进行疲劳分析秒时，应对导管架管节点进行疲劳分析一、一、整体分析计算模型整体分析计算模型1.1.确定由导管架和桩构成的整体的计算模型时，对结确定由导管架和桩构成的整体的计算模型时，对结构总体刚度有重大影响的一切构总体刚度有重大影响的一切构件构件均要考虑均要考虑2.2.对于设计泥面以上的杆件，凡杆件交叉点、集中荷对于设计泥面以上的杆件，凡杆件交叉点、集中荷载作用点、杆件横截面特性变化点、桩与设计泥面的载作用点、杆件横截面特性变化点、桩与设计泥面的交接点一般均应设为交接点一般均应设为节点节点3.3.如右图所示：泥面以下的桩基上设置多个节点，每如右图所示：
6、泥面以下的桩基上设置多个节点，每个节点处设置两个垂直于桩身的个节点处设置两个垂直于桩身的弹簧弹簧，用来表征垂直，用来表征垂直荷载作用下桩荷载作用下桩-土的相互作用土的相互作用4.4.弹簧刚度系数可以是线弹性的，也可以是非线弹性弹簧刚度系数可以是线弹性的，也可以是非线弹性的，取决于所用的的，取决于所用的桩基理论桩基理论第二节第二节 设计计算模型设计计算模型桩基导管架平台是空间杆系结构，对其进行受力分析时，常选取整体分析桩基导管架平台是空间杆系结构，对其进行受力分析时，常选取整体分析计算模型和分部分析计算模型两种结构计算模型计算模型和分部分析计算模型两种结构计算模型 整体分析计算结构模型图整体分析
7、计算结构模型图适用于深适用于深水结构分析水结构分析二、分部分析计算模型二、分部分析计算模型1.1.分部分析方法：把导管架与桩基在泥面处分开，对导管架和桩基分别建分部分析方法：把导管架与桩基在泥面处分开，对导管架和桩基分别建立计算模型立计算模型2.2.泥面以上部分是具有泥面以上部分是具有基桩支座基桩支座的空间杆系结构（基桩支座是联系两个计的空间杆系结构（基桩支座是联系两个计算模型的结合点）算模型的结合点）3.3.节点设置原则同于整体分析计算模型节点设置原则同于整体分析计算模型4.4.泥面以下是埋藏于土中的桩泥面以下是埋藏于土中的桩5.5.此种模型阶段与杆件数目相对于整体分析计算模型都少，计算工作
8、量小，此种模型阶段与杆件数目相对于整体分析计算模型都少，计算工作量小，设计时推荐使用这种方法设计时推荐使用这种方法6.6.对导管架结构必须进行动力分析和疲劳分析（尤其是深水结构）对导管架结构必须进行动力分析和疲劳分析（尤其是深水结构）适用于浅适用于浅水结构分析水结构分析桩基矩阵系数计算桩基矩阵系数计算根据弹性长桩的变位与转角公式：根据弹性长桩的变位与转角公式：基桩刚度系数数值的计算公式：基桩刚度系数数值的计算公式：注：注：-桩的变形系数桩的变形系数m m-土反力模量随深度变化的土反力模量随深度变化的比例系数比例系数B B0 0-桩的计算宽度桩的计算宽度一般有：一般有：K K4444=0.2 K
9、=0.2 K5555=0.2K=0.2K6666二、空间杆件刚度矩阵二、空间杆件刚度矩阵对于一空间杆件，其杆端每个节点有对于一空间杆件，其杆端每个节点有6 6个位移分量，故杆端力也有个位移分量，故杆端力也有3 3个力和个力和3 3个力矩共个力矩共6 6个分量。由此建立空间杆件单元在杆件坐标系下的杆端力与节个分量。由此建立空间杆件单元在杆件坐标系下的杆端力与节点位移的关系如下：点位移的关系如下：-杆件力向量杆件力向量 -杆件刚度矩阵杆件刚度矩阵 -杆端节点位移向量杆端节点位移向量注：注：-y y方向的剪切影响系数方向的剪切影响系数 -z z方向的剪切影响系数方向的剪切影响系数 J J-对对x x
10、轴的扭矩轴的扭矩 G G-材料剪切弹性模量材料剪切弹性模量 -沿沿y y方向的有效抗剪面积方向的有效抗剪面积 -沿沿z z方向的有效抗剪面积方向的有效抗剪面积二、杆件断面要素的确定二、杆件断面要素的确定1.1.杆件断面要素包括杆件横截面面积杆件断面要素包括杆件横截面面积A A，有效截面面积，有效截面面积A Ay y、A Az z ，截面惯性，截面惯性矩矩I Iy y、I Iz z，极惯性矩，极惯性矩J J2.2.假设圆管构件的圆环截面外径为假设圆管构件的圆环截面外径为D D0 0，内径为，内径为D Di i，中间半径为，中间半径为D Dm m，截面面，截面面积为积为A A，有效截面面积为，有效
11、截面面积为A As s，截面对中性轴的惯性矩为，截面对中性轴的惯性矩为I I，极惯性矩为，极惯性矩为J J，剪切应力不均匀系数为剪切应力不均匀系数为K K，则有：，则有：二、杆件断面要素的确定二、杆件断面要素的确定1.1.杆件断面要素包括杆件横截面面积杆件断面要素包括杆件横截面面积A A，有效截面面积，有效截面面积A Ay y、A Az z ，截面惯性，截面惯性矩矩I Iy y、I Iz z，极惯性矩，极惯性矩J J2.2.假设圆管构件的圆环截面外径为假设圆管构件的圆环截面外径为D D0 0，内径为，内径为D Di i，中间半径为，中间半径为D Dm m，截面面，截面面积为积为A A，有效截面
12、面积为，有效截面面积为A As s，截面对中性轴的惯性矩为，截面对中性轴的惯性矩为I I，极惯性矩为，极惯性矩为J J，剪切应力不均匀系数为剪切应力不均匀系数为K K，则有：，则有：三、直接刚度法解节点位移与杆端力三、直接刚度法解节点位移与杆端力1.1.当每个杆件单元在结构坐标系下的刚度矩阵当每个杆件单元在结构坐标系下的刚度矩阵 求出后，即可汇集成结构求出后，即可汇集成结构总刚度矩阵总刚度矩阵 ，它是将各杆件按总自由度编号为下标的刚度系数叠加而成的，它是将各杆件按总自由度编号为下标的刚度系数叠加而成的6n6n6n6n矩阵，其中矩阵，其中n n为计算模型节点总数为计算模型节点总数2.2.在结构坐
13、标系下，由节点位移而产生的杆端力在结构坐标系下，由节点位移而产生的杆端力 为：为：3.3.在杆件坐标系下，由节点位移而产生的杆端力在杆件坐标系下，由节点位移而产生的杆端力 为：为：4.4.在杆件坐标系下，若杆件上作用有分布荷载，由节点位移而产生的杆端在杆件坐标系下，若杆件上作用有分布荷载，由节点位移而产生的杆端力力 为：为：K第五节第五节 导管架构件强度校核导管架构件强度校核目前现行的规范对桩基平台构件的强度计算方法主要以目前现行的规范对桩基平台构件的强度计算方法主要以许用应力法许用应力法为基础为基础应力种类应力种类许用应力符号许用应力符号许用应力值许用应力值抗拉、抗压、抗弯0.6s抗剪0.4
14、s承压面（磨平）d0.9s 许用应力值许用应力值极端环境条件下各种荷载组合后的许用应力可提高极端环境条件下各种荷载组合后的许用应力可提高1/31/3；计算地震荷载时，；计算地震荷载时，构件的许用应力可提高构件的许用应力可提高70%70%一、轴向应力一、轴向应力杆件的受力情况不同，其轴向应力计算公式不同：杆件的受力情况不同，其轴向应力计算公式不同：序号序号杆件受力情况杆件受力情况计算公式计算公式1轴向受拉或受压2在一个平面内受弯3轴向受拉或受压并在一个平面内受弯4在两个平面内受弯5轴向受拉或受压并在两个平面内受弯二、剪应力二、剪应力序号序号杆件受力情况杆件受力情况计算公式计算公式1受弯2受扭3受弯或受扭三、环向应力三、环向应力四、折算应力四、折算应力序号序号杆件受力情况杆件受力情况计算公式计算公式1轴向应力和剪应力2轴向应力、环向应力和剪应力