第六章 导管架设计

3.在杆件坐标系下，由节点位移而产生的杆端力F e 为：
F T F T K D
e e e e
e e e e L
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 力 F e 为：
F T K D F
• 第五节
摩擦型桩 桩基（按承载性状）
常用
端承摩擦桩（桩端阻力和侧 摩阻力同时发挥作用）
端承桩（桩侧摩阻力可忽略）
端承型桩 摩擦端承桩（桩端阻力和侧 摩阻力同时发挥作用）
• 第一节
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、设计导管架的基本依据 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
2.海洋环境：决定导管架结构几何形状的主要因素
3与施工设备：与导管架几何形状的选择有关
二、导管架结构的设计内容 1.导管架结构型式的设计：又称为“方案设计”，即根据设计资料拟定初 步设计方案，确定导管架尺度 2.导管架腿柱直径与斜度设计： 1）腿柱直径与土质情况、基础要求有关。初步设计时通常根据设计经验和 按甲板支撑桁架腿柱的要求确定腿柱直径 2）腿柱斜度与土壤性质、打桩机性能和荷载类型有关，一般为双斜对称式
e e e F k D
e F ---杆件力向量
e k ---杆件刚度矩阵
e D ---杆端节点位移向量
杆件刚度矩阵中 k 中元素kij的含义：只有在j自由度方向产生单位 位移时在i自由度方向上引起的杆端力
W
1.1
5
轴向受拉或受压并在两个平面内受弯
2 M x2 M y N 0.9 A W
二、剪应力
序号 杆件受力情况 受弯 计算公式
1

2Q Dt
2
受扭

2T D 2t
2
EA l 0 0 0 0
z
12 EI 1 y l 3 0 0 0 6 EI z 1 y l 2
1 z l
0 6 EI y
3
1 z l
0
0 0 0
1 z l 3
0 GJ l
2
12 EI y
1 z l
0
2
0 0
2 z EI y 1 z l
• 第二节
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 析计算模型和分部分析计算模型两种结构计算模型 一、整体分析计算模型
适用于深 水结构分析
1.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件均要考虑 2.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 交接点一般均应设为节点
• 第三节
设计计算刚度矩阵
本章主要讨论静力分析方法
一、桩基刚度矩阵
以单体坐标系建立的基桩约束刚度矩阵：
K11 0 0 K PH 0 0 0 0 K 22 0 0 0 K 62 0 0 K 33 0 K 53 0 0 0 0 K 44 0 0 0 0 K 35 0 K 55 0 0 K 26 0 0 0 K 66
e
EA l 0 0 0 0 0 EA l 0 0 0 0 0
12 EI z 1 y l 3 0 0 0 6 EI 1 y l 2 0 12 EI z 1 y l 3 0 0 0 6 EI z 1 y l 2
（2）圆管形截面：K 2(1 ) 。其中μ=0.3时，K=1.885 （3）矩形截面：K
12 11 10(1 ) 。其中μ=0.3时，K=1.117
对于工字形截面杆件，取其有效剪切面积为腹板面积 对于导管与桩环形空间填充水泥砂浆的构件，认为水泥砂浆只起到使内、 外两管共同工作的作用，不考虑它对该杆抵抗荷载的贡献。故该杆的断 面可按双壁管计算，将内、外两管各自的断面面积、惯性矩、极惯性矩、 有效剪切面积相加即可
第六章 导管架设计
1
本章主要内容
第一节 设计依据及设计内容
第二节
第三节 第四节
设计计算模型
设计计算刚度矩阵 杆件端点变位与受力
第五节
导管架构件强度校核
导管架设计
• 第一节
设计依据及设计内容
打入桩基础 桩基（按施工方法）
钻孔灌注桩基础
钟型桩基础
需考虑土质条件、桩的 用途、桩的承载能力、 地基类型、施工条件等 因素选择桩基型式 纯摩擦桩（桩端阻力可忽略）
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许用应力法为基础
许用应力值 应力种类 抗拉、抗压、抗弯 抗剪 承压面（磨平） 许用应力符号 许用应力值
［σ］ ［τ ］ ［σd］
0.6σs 0.4σs 0.9σs
极端环境条件下各种荷载组合后的许用应力可提高1/3；计算地震荷载时， 构件的许用应力可提高70%
0
2 EI 1 l
y y
1 z l
0
6 EI y
0 0
4 z EI y 1 z l
0
0
4 y EI z 1 y l
注：
y z
12 EI z GAy l 2 12 EI y GAl 2
y z
--y方向的剪切影响系数 --z方向的剪切影响系数
J --对x轴的扭矩
G --材料剪切弹性模量
Ay -Az --
沿y方向的有效抗剪面积 沿z方向的有效抗剪面积
• 第四节
杆件端点变位与受力
一、坐标系与坐标转换 局部坐标系：杆件坐标系 整体坐标系：结构坐标系
A I J
2 D0 Di2
4 4 D0 Di4 64 4 D0 Di4 32
2 Dm t
3 Dm t
3 2 Dm t
D0 Di t 2 D0 Di D 4 A As K
剪切应力不均匀系数为K的取值：
K （1）圆形截面： 。其中μ=0.3时，K=1.128 6(1 ) 4 3 7 6
S1x S1 y S1z 经推导得到的转轴矩阵 T 为正交矩阵: T S 2 x S 2 y S 2 z S3 x S3 y S3 z
经过坐标变换求得结构坐标系下的杆件刚度矩阵
e K T k T e T
e K ：
二、杆件断面要素的确定
1.杆件断面要素包括杆件横截面面积A，有效截面面积Ay、Az ，截面惯性 矩Iy、Iz ，极惯性矩J 2.假设圆管构件的圆环截面外径为D0，内径为Di，中间半径为Dm，截面面 积为A，有效截面面积为As，截面对中性轴的惯性矩为I，极惯性矩为J， 剪切应力不均匀系数为K，则有：
基桩刚度系数数值的计算公式：
K 22 K 33 1.06344 3 EI K 55 K 66 1.48249 EI K 62 K 26 0.98448 2 EI K 53 K 35 0.98448 2 EI
二、空间杆件刚度矩阵 对于一空间杆件，其杆端每个节点有6个位移分量，故杆端力也有3个力和 3个力矩共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 点位移的关系如下：
1 z l 3
0 GJ l
2
12 EI y
1 z l
0 0 0 12 EI y
6 EI y
0 0 0 0 0 GJ l
4 z EI y 1 z l
0 0 0 6 EI y
4 EI
1 l
y
y
z
0 6 EI z 1 y l 2
K11---基桩拉压刚度系数 K44 ---基桩扭转刚度系数 K55， K66 --基桩弯曲刚度系数 一般有： K44=0.2 K55=0.2K66
由于斜桩在承受轴向荷载时的轴向位移、承受水平荷载与力矩荷载时的水平位移 和转角，在实用的坡度范围内与桩的倾斜度无关，故固定平台斜桩的变位与内力 法分析可简单地采用垂直桩的计算方法
A I J
2 D0 Di2
4 4 D0 Di4 64 4 D0 Di4 32
2 Dm t
3 Dm t
3 2 Dm t
D0 Di t 2 D0 Di D 4 A As K
二、杆件断面要素的确定
1.杆件断面要素包括杆件横截面面积A，有效截面面积Ay、Az ，截面惯性 矩Iy、Iz ，极惯性矩J 2.假设圆管构件的圆环截面外径为D0，内径为Di，中间半径为Dm，截面面 积为A，有效截面面积为As，截面对中性轴的惯性矩为I，极惯性矩为J， 剪切应力不均匀系数为K，则有：
三、直接刚度法解节点位移与杆端力
e 1.当每个杆件单元在结构坐标系下的刚度矩阵 k 求出后，即可汇集成结 构总刚度矩阵 [K]，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6n×6n矩阵，其中n为计算模型节点总数
2.在结构坐标系下，由节点位移而产生的杆端力F 为：
e
e e e F k D
3.如右图所示：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弹簧，用来表征垂直 荷载作用下桩-土的相互作用
4.弹簧刚度系数可以是线弹性的，也可以是非线弹性 的，取决于所用的桩基理论