[发明专利]一种船舶撞击荷载作用下的单桩动力稳定性分析方法和系统

说明书

本发明公开了一种船舶撞击荷载作用下的单桩动力稳定性分析方法和系统，分析桩基在船舶撞击和波浪瞬时冲击荷载作用下的非线性动力学稳定问题，采用双参数地基模型建立部分嵌固桩在船舶撞击和波浪瞬时冲击荷载作用下的非线性动力学基本方程，利用伽辽金积分方法得到仅有时间变率的动力学微分控制方程，采用四阶的龙格‑库塔法对方程进行位移求解得到了桩身的位移型函数。该位移函数计算后得到桩身的位移‑时程曲线，根据B‑R准则判断得到了桩身失稳荷载。本发明考虑桩侧土体作用可以有效提高失稳荷载，土体的约束作用可以使桩身在失稳前经历一段稳态振动；采用双参数模型计算下的失稳荷载以及桩身位移时程曲线相比于传统的Winkler模型更符合工程实际。

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种用于桩基在船舶撞击和波浪瞬时冲击荷载作用下的非线性动力学计算方法。

背景技术

海上建筑不仅要承受波浪、海流、地震等的作用，在某些时候还可能会受到船舶的撞击作用，尽管这种事件发生的概率较小，但是一旦发生将会对海上的建筑带来巨大的安全风险。目前的研究中普遍会将波浪荷载的作用和船舶的撞击作用分开来研究，而在一些特殊的情况下可能会发生两种荷载同时冲击到桩身的情况，此时对于桩基来说将会有很大的安全风险，极其可能会在两种荷载作用下直接破坏，给上部建筑带来巨大的危害。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种船舶撞击荷载作用下的单桩动力稳定性分析方法和系统，用于桩基在船舶撞击和波浪瞬时冲击荷载作用下的非线性动力学理论计算。本发明方法通过对桩身的位移型函数进行合理的设定，然后利用伽辽金积分方法得到了仅有时间变率的动力学微分控制方程，由于该微分方程的复杂性，精确解难以求得，因此本发明采用龙格-库塔法进行了数值求解。通过求解方程得到桩身位移函数，该位移函数计算后得到桩身的位移时程曲线，然后根据B-R准则判断得到桩身的失稳荷载，最后对一系列影响因素进行了分析和研究，以解决了上述背景技术中提出的问题。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

一种船舶撞击荷载作用下的单桩动力稳定性分析方法，采用了双参数地基模型，建立部分嵌固桩在船舶撞击和波浪瞬时冲击荷载作用下的非线性动力学基本方程，利用伽辽金积分方法得到仅有时间变率的动力学微分控制方程，采用四阶的龙格-库塔法对方程进行了位移求解得到了桩身的位移型函数；利用位移函数计算后得到桩身的位移-时程曲线，根据B-R准则判断得到了桩身的失稳荷载。

优选地，本发明船舶撞击荷载作用下的单桩动力稳定性分析方法，进行计算分析桩基在船舶撞击和波浪瞬时冲击荷载作用下的非线性动力学数据，包括如下步骤：

(1)进行模型中的位移表达：

桩基模型如下图1所示，设定P为桩顶的竖向荷载，为上部结构的简化质量块，f_bl为波浪荷载，(s-h)为波浪荷载作用的高度范围，q₁为船舶的撞击荷载，(h₀-s)为船舶撞击荷载的作用范围，此处将q₁为视为矩形荷载；土层中地基的反力采用双参数地基模型来计算，土体反力在简化的Winkler地基模型的基础上，增加剪切作用的参数，即双参数地基；s为土层的厚度；w(z，t)为桩身的横向位移，u(z，t)为桩身的竖向位移；

其中：L为波长；T为波浪的周期，ρ为海水的密度取1030kg/m³；

g为重力加速度，取9.8m/s²；H为波高；α为相位角；z₁为水深，d_L为桩身入水深度，不包括入土部分；J₁′为一阶第一类贝塞尔函数，Y₁′为一阶第二类贝塞尔函数；

u(x，z，t)＝u⁰(z，t)-zw_，x(z，t)