桩基础水闸的模态分析及其脱空影响分析

基于桩基础水闸的有限元模型进行模态分析，得出无脱空情况下其前5阶频率。存在部分脱空（脱空参数见表7.1.1）时的固有频率以及无脱空情况下的结构固有频率见表8.1.1。

表8.1.1　软基部分脱空情况对水闸结构固有频率的影响

由表8.1.1可知，部分脱空情况下水闸的固有频率比无脱空情况下水闸的固有频率小，特别是第5阶，和无桩基础水闸模型规律一致，但部分脱空情况下固有频率变化率比无桩基础水闸模型更小，这表明桩基础水闸模型的固有频率灵敏度有所下降，即地基经过加桩处理后水闸结构整体更稳定，地基处理后水闸底板脱空损伤对水闸整体稳定危害减小。实际水闸建设中为了避免水闸底板脱空危害，对地基进行加桩基础处理是一种效果较明显的措施和手段。

图8.1.3　单孔实体水闸前5阶位移矢量和图(www.xing528.com)

如图8.1.3所示，单孔实体水闸前5阶位移矢量和图规律：第1阶，和无桩基础水闸模型规律基本一致，水闸整体从下至上位移矢量和逐渐增大，两侧的挡墙向相同方向同步摆动；第2阶，和无桩基础水闸模型规律也基本一致，水闸整体沿水流方向的位移矢量和呈增大趋势，且在竖直方向上水闸位移矢量和从下至上增大，两侧的挡墙方向相反、同步摆动，且靠上部分摆动最明显；第3阶，和无桩基础水闸模型规律完全不同，水闸部分基本没有任何位移，只是土体上表面有上下运动的现象；第4阶，和无桩基础水闸模型的第3阶规律相似，水闸整体下部结构基本无位移，上部结构位移矢量和较大，水闸整体变形为扭动，闸墩上部结构为同向扭动；第5阶，和无桩基础水闸模型的第4阶规律相似，水闸的工作桥连接段呈波浪形运动，且工作桥中间靠近上游位置最明显，水闸其他部位基本无位移变化。

对结构在有无脱空情况下的横向（X方向）、纵向（Y方向）和竖向（Z方向）的第1阶和第2阶振型数据进行变化率分析，发现和无桩基础水闸不同的是结构振型数据在横向（X方向）的变化率较大，和理论预测结果一致，桩基础的存在限制了水闸结构在竖向（Z方向）的位移，使得部分脱空发生后竖向（Z方向）的位移变化幅度不大，再一次证实了桩基础的作用。推测部分脱空情况对桩基础水闸结构的横向（X方向）振型影响较大，表8.1.2给出了水闸结构模型无脱空情况下的第1阶和第2阶的横向（X方向）振型值，同时列出了桩基础水闸结构模型部分脱空情况下的第1阶和第2阶竖向的横向（X方向）振型值，并进行对比。

表8.1.2　软基部分脱空情况对水闸结构振型的影响

分析可知，桩基础水闸底板脱空也会导致结构频率和振型值变化，且振型值变化率较大。

同样可以先通过分析振型数据，为脱空区域识别工作提供一定的先验信息，推测可能的脱空类型，分别选用相应的响应面模型进行拟合，借助遗传算法构造目标函数，对比每种脱空类型的目标残差，最小的残差对应的结果则为最优。