基于ANSYS 的水平受載樁樁身受力性能的研究

王文晉 王成薈

1 水平受載樁的研究現(xiàn)狀

隨著我國(guó)公路橋梁、港口、碼頭、大壩以及工業(yè)與民用建筑等事業(yè)的高速發(fā)展，鋼筋混凝土基樁得到了廣泛地應(yīng)用［1］。目前對(duì)基樁的豎向承載力研究較為成熟，而對(duì)水平荷載作用下的混凝土基樁的研究相對(duì)較少。雖然相關(guān)規(guī)范對(duì)水平荷載下基樁的設(shè)計(jì)做了規(guī)定，但其計(jì)算理論仍較欠缺。當(dāng)前對(duì)水平荷載下基樁受力的研究普遍集中在樁頂受力情況下樁土相互作用體系的研究，而對(duì)于樁身水平受荷的研究少之甚少［2］。

針對(duì)這一問(wèn)題，本文對(duì)樁身承受水平荷載作用時(shí)混凝土基樁的受力性能進(jìn)行了研究。

2 算例分析

本文選用某工程樁為算例，樁長(zhǎng)L=12 m，截面為圓形，樁直徑d=0.5 m，樁的彈性模量 Ep=2.4 MPa，質(zhì)量密度 ρp=2 500 kg/m3。土為層狀分布，土層參數(shù)見(jiàn)表1。表1中ρ為土的質(zhì)量密度，kg/m3;v為土的泊松比;E為土的彈性模量，Pa。

表1 算例數(shù)據(jù)表

3 ANSYS模型的建立

ANSYS材料類型豐富，單元模型很多，找出適宜的材料對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果起到?jīng)Q定性作用，本文對(duì)材料單元與性質(zhì)的選取與討論如下。

混凝土本構(gòu)模型種類繁多，大體可分為線彈性模型、非線性彈性模型、塑性理論模型和其他力學(xué)理論的本構(gòu)模型四類［3］。其中研究最多是非線性彈性和彈塑性模型，其他兩類研究得較少。本文選取了非線性彈性模型，通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系定義混凝土材料。

有限單元法中，土的本構(gòu)模型直接影響到解的精確度。常用的土體本構(gòu)模型有以下幾種［4］:線彈性本構(gòu)模型、非線性彈性模型、彈塑性本構(gòu)模型、粘彈塑性本構(gòu)模型。Drucker-Prager模型是較為成熟的一種模型，被廣泛應(yīng)用于樁土相互作用的數(shù)值計(jì)算。本文模型的建立即選用了D-P模型。

計(jì)算機(jī)模擬時(shí)，混凝土樁身選用Solid65單元，土體選用Solid45單元，鋼筋選用Link8三維桿單元。環(huán)向箍筋設(shè)置20圈，豎向縱筋2根，鋼筋橫截面面積為1.387×10－8m2。

根據(jù)表1所列數(shù)據(jù)，建立了外徑為0.5 m，內(nèi)徑為0.4 m的空心圓柱體幾何模型。對(duì)于土體，本文建立了5層半圓柱體模型。其中，為了建立樁土接觸面，在樁土相接處的位置，在柱體上劃分了5個(gè)面。

4 樁身受力性狀的分析

4.1 樁身水平位移曲線的分析

為了較好的研究出在水平荷載作用于樁身處情況下基樁是受力性能，本文設(shè)置了9 kN，36 kN，72 kN，108 kN共4種荷載。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于樁身的水平位移，由于樁土作用中土體抗力變化的影響，樁身位移可以劃分為3種類型:較小荷載，中等荷載和較大荷載。當(dāng)處于較小的范圍時(shí)，由于樁身混凝土和鋼筋的剛度較強(qiáng)，樁頂位移最大，此時(shí)樁頂?shù)耐帘粩D壓隆起如圖1所示中9 kN時(shí)樁身位移曲線。當(dāng)荷載水平荷載處于中等范圍時(shí)，荷載作用處至樁頂?shù)奈灰撇顒e不大，如36 kN時(shí)樁身水平位移曲線。當(dāng)水平荷載較大時(shí)，樁身發(fā)生彎曲，最大位移出現(xiàn)在荷載作用處，如108 kN時(shí)樁身水平位移曲線。

圖1 水平荷載下樁身水平位移

圖2 水平荷載下樁身水平應(yīng)力

樁在水平荷載作用下將發(fā)生位移，促使樁周土發(fā)生相應(yīng)的變形進(jìn)而產(chǎn)生抗力，當(dāng)樁變形增大到樁所不能容許的程度或樁周土失穩(wěn)時(shí)，樁土體系便趨于破壞。從圖1中可以看出，樁身水平受載時(shí)，荷載作用處水平位移最大，而對(duì)于樁頂，當(dāng)荷載較小時(shí)，樁頂位移與荷載作用點(diǎn)上部點(diǎn)的位移差異不大。這是由于鋼筋混凝土材料具有較強(qiáng)的剛度所致，此時(shí)樁頂位移最大。當(dāng)荷載加大，樁頂位移與荷載作用點(diǎn)位移差異較為明顯。表明了鋼筋混凝土材料進(jìn)入彈性變形階段。此時(shí)樁的受力與簡(jiǎn)支梁中部受彎基本一致。

4.2 樁身水平應(yīng)力曲線的分析

由計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果可以看出，樁土接觸面上節(jié)點(diǎn)水平應(yīng)力呈拉壓共存狀態(tài)，如圖2所示。這是由土體抗力產(chǎn)生的。樁身應(yīng)力分布比較復(fù)雜，簡(jiǎn)單的模型難以總結(jié)出規(guī)律。對(duì)于荷載截面處，當(dāng)荷載較大時(shí)如108 kN時(shí)才表現(xiàn)拉應(yīng)力(14.25 MPa)，荷載較小時(shí)，一般最大應(yīng)力為壓應(yīng)力，如9 kN時(shí)的壓應(yīng)力－9.74 MPa，且從樁頂至樁底的分布變化不大。隨著荷載增大，應(yīng)力出現(xiàn)大的波動(dòng)，荷載作用附近出現(xiàn)應(yīng)力極大值，如72 kN時(shí)，在3.6 m處應(yīng)力最大。總體的情況是應(yīng)力呈橄欖形分布，壓應(yīng)力與拉應(yīng)力交錯(cuò)分布。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)樁身水平位移曲線的分析，得出了樁身水平位移的變化規(guī)律。樁身水平荷載作用時(shí)水平方向的位移有3種情況:當(dāng)荷載較小時(shí)，樁端由于自由，位移最大。荷載處于中等水平時(shí)，由荷載處至樁頂位移比較接近。當(dāng)荷載較大時(shí)，樁身彎曲變形，荷載作用截面上位移最大，并逐漸向兩端減小。

計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果表明，樁身水平荷載作用下的水平方向應(yīng)力基本呈橄欖形分布，最大應(yīng)力分布在荷載作用截面或是近截面處，底端壓應(yīng)力與最大應(yīng)力較為接近，受土抗力和土體變形的影響，樁土接觸面的應(yīng)力沿樁長(zhǎng)方向壓應(yīng)力與拉應(yīng)力交錯(cuò)分布。

［1］ 姜晨光.樁基礎(chǔ)工程理論與實(shí)踐［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［2］ 楊明輝.巖質(zhì)陡坡橋梁樁基承載機(jī)理及其分析方法研究［D］.長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)，2006.

［3］ 王先軍，周文宇，蔣 鑫.ANSYS在模擬樁土接觸中的應(yīng)用［J］.森林工程，2006(3):50-51.

［4］ 殷宗澤，朱 泓，許國(guó)華.土與結(jié)構(gòu)材料接觸面的變形及其數(shù)學(xué)模擬［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1994，16(3):14-22.

［5］ 啟 富.計(jì)算樁的有限元方法及程序設(shè)計(jì)［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，22(10):9-13.