液压高频振动桩锤自下而上包括液压夹桩器、激振部分、减振橡胶连接块、减振质量部分和吊环(如照片和示意图)。在计算简图中,假定夹桩器与桩顶固接,k1、c1表示桩-土等效刚度和粘滞系数,m1包括锤中激振部分的质量与桩身等效质量之和,k2、c2代表橡胶减振连接块刚度和粘滞系数,m2锤中减振部分的质量,k3表示悬吊缆绳刚度。
高频振动桩锤机械设计选取的结构参数,在给定频率范围内施工时,应使桩顶振幅尽可能地高-有利于沉桩施工效率,而减振质量部分的振幅尽可能地低-为了机架或吊车安全。对如图所示的二自由度结构模型,利用动力学理论求解看似不会困难的。但是,对机械设计分析人员来说,即使对桩-土子结构振动简化成线性问题,要得到合理的k1、c1以及桩身等效质量乃至m1的数值,却并非容易的事情。如中南大学汽车与机械工程学院2008年完成的“液压振动锤桩振系统建模仿真”仍是将桩身当成了绝对刚性的,在此假设下,桩身等效质量便与桩身物理质量相同。
然而,具有一定长度的钢筋混凝土和钢桩身的轴向刚度EA/l(E-弹模,A-桩身截面积,l-桩长)为有限数值而非无限大,上述假设是否合理值得论证。作为初步检验,暂考虑桩被整体吊离地面而悬空振动时的情况,显然有k1=0和c1=0。再经机械振动理论推导(,f - 频率),得桩顶被固接于桩锤时的桩身等效参振质量为:
可见,即使在这种桩土作用极其简化的情况下,对钢筋混凝土桩来说,当激振频率较高、桩身较长时,其参与桩锤激振部分的等效质量可能会比其自身物理质量高得多,上述桩身刚性假设将会对桩锤机械设计乃至以后的工效预期带来较大的偏差。
当桩处于地基土中时,即使在线性振动假定下,其等效质量、刚度和粘滞系数的计算也是比较复杂的,虽然有限元数值方法总能求解,但期望能寻找出便于实用的解析方法。
(注:若不在上述计算简图中m1上计入桩身参振质量,则上述条件下按机械阻抗法求解可得k1=-me(6.28f )2,c1=0)
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