基于ANSYS的橋梁全樁基礎的三維有限元仿真分析

陳輝

（海門東方路橋工程有限公司，江蘇海門 226100）

0 前言

一般工程結構物是由地基、基礎和上部結構組成的，上部結構可以是橋梁等。基礎起著將上部結構荷載傳入地基和將地震荷載傳給上部結構的連接作用。因為基礎是支撐在地基之上的，不能將基礎單純看為一個結構，它的力學行為與地基和上部結構的剛度有很大聯系。因此，在進行基礎的力學分析時，很難得到理論解，通常要進行數值分析。計算機數值技術的發展，使得人們可以用有限元數值模擬方法對基礎工程進行力學分析，本文采用的大型有限元商業軟件ANSYS可以用于橋梁基礎工程的結構設計。

1 ANSYS簡介

ANSYS有限元軟件是一個多用途的有限元法計算機設計程序，可以用來求解結構、流體、電力及碰撞等問題。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型；分析計算模塊包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析），可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優化分析能力；后處理模塊可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結構內部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。

2 橋梁的力學分析模型

全樁基礎是一種迅速發展的深基礎,在橋梁工程中應用極為廣泛。在橋梁的設計和施工中,確定全樁基礎在自重荷載、活載和地基反力作用下的變形和應力極為重要。有線彈性地基模型、非線性彈性模型和彈塑性地基模型來描敘反作用力。

溫克爾地基模型：假定地基表面任意一點的變形與該點出的壓力成正比，而與其他點上壓力無關。溫克爾地基模型是把地基視為在桿系基礎上的一系列側面無摩擦的土柱組成，地基僅在荷載作用區域有豎向變形，而在荷載作用區域外則無變形，基地的反力成直線分布。

彈性半無限空間地基模型：假定地基為一個均質、連續、各向同性的無限空間彈性體，地基表面任意一點的變形不僅與該點上的作用力的大小有關，而且與基礎上所有的荷載都有關系。

有限壓縮層地基模型：把地基看成側限條件下有限條件下有限深度的壓縮土層，以分層總和法為基礎，建立地基壓縮層變形與地基作用荷載間的關系。

在以上三種地基簡化模型中，由于溫克爾地基模型沒有考慮計算點以外的荷載對計算點變形的影響，從而導致變形量偏小；而半無限空間彈性模型由于夸大了地基的深度和土的壓縮性，常導致計算得到的變形過大；有限壓縮層地基模型所計算的變形結果跟實際值最接近，但是由于分層過多，工作量大，不易推廣使用。因此常用的是溫克爾地基模型。

3 實例分析

3.1 工程概況

筆者以某市的一座橋梁工程進行分析。

上部結構：采用預應力混凝土箱型梁，設計為等截面梁。梁高為3 m，頂板寬11 m、厚30 cm，底板寬6 m、厚25 cm，腹板厚50 cm。箱型梁材料為C50混凝土。

下部結構設計：采用鋼筋混凝土輕型橋臺，而橋墩采用矩形斷面單柱式鋼筋混凝土橋墩。橋墩高20 m，橫斷面為5 m×3 m，3 m是橋梁縱向的，5 m是橋梁橫向的。輕型橋臺的基礎則采用擴大基礎，而單柱式橋墩的基礎采用全樁。每個橋墩下布置6根直徑為1.5 m的全樁，樁長25 m，嵌入到基巖中，屬于端承式樁。橋梁下部結構的設計如圖1所示，下部結構的混凝土等級為C30。

圖1 橋墩、承臺的全樁布置圖（單位：cm）

根據筆者之前對工程的計算，本文作用在全樁基礎承臺上的恒載為18 900.8 kN，而汽車活載為1 500.48 kN。從而可知在此作橋梁中，作用在全樁基礎上的荷載主要為恒載，即來自橋梁的自重荷載。

3.2 有限元模型的建立

有限元計算需建立有限元模型。圖2為三維幾何及有限元模型圖。上承臺集合體采用映射網格劃分，樁體采用自由網格劃分。模型的彈模E=30 GPa，泊松比 ν=0.17，密度 ρ=2 500 kg/m3。

圖2 全樁基礎幾何及有限元模型

3.3 計算結果分析

本文做了自重荷載條件下全樁基礎三維仿真分析和汽車—超20級荷載條件全樁基礎三維仿真分析。

3.3.1 自重荷載條件下的分析

（1）圖3為圖形區域結構變形圖。

（2）圖4為自重作用下的y向位移等值線圖。

（3）圖5為自重作用下的第1、3主應力等值線圖。

3.3.2 汽車—超20級荷載條件下的分析

（1）圖6為汽車—超20級荷載條件下的圖形區域結構變形圖。

圖3 結構變形圖

圖4 自重作用下的y向位移圖

圖5 自重作用下的第1、3主應力圖

（2）圖7為結構的y方向位移等值線圖。

（3）圖8為汽車—超20級荷載作用下的第1、3主應力等值線圖。

圖6 結構變形圖

圖7 y方向位移等值線圖

由ANSYS軟件計算結果可知，全樁基礎在恒載作用下結構的最大下沉量為2.5 mm,而在活載（汽車—超20級）作用下結構最大下沉量為0.2 mm,所以總的位移變形量很小,所以,該全樁基礎能夠滿足正常使用極限狀態的要求。在自重作用下結構混凝土的最大拉應力為0.84 MPa,壓應力為-7.0 MPa,而活載作用下結構混凝土的最大拉應力為0.075 MPa,壓應力為-0.63 MPa。從而可知總的拉壓應力都不大,該橋梁所設計的全樁基礎能夠滿足承載能力極限狀態的要求,其變形和應力中因結構自重產生的為主要部分,且自重作用產生的應力和變形為活載作用產生的10倍左右。

圖8 超荷載作用下的第1、3主應力圖

4 結語

本文主要介紹了橋梁全樁基礎的三維仿真分析。首先介紹了某連續梁橋全樁基礎的構造設計，包括承臺的尺寸、樁的尺寸和布置以及橋墩的幾何尺寸等。然后介紹了全樁基礎三維仿真分析建模和網格劃分。接著分別介紹了在自重荷載（恒載）和汽車—超20級 荷載（活載）作用下進行全樁基礎三維仿真分析并分析了計算結果。

應用ANSYS大型通用有限元軟件建立的實體模型與實際結構類似,模型和各種結果云圖都比較直觀,實體單元對應力場的分析比較豐富,不但可以計算正應力,還可以計算主應力等。全樁基礎的應力和變形主要由結構自重產生,這提示人們在結構設計中要盡量選用輕型材料,以減輕結構自重,控制基礎變形。可以應用實際觀測結果和仿真分析結果進行對比,以判斷仿真分析的準確度,為同類工程提供參考。

[1]老虎工作室.ANSYS在土木工程中的應用[M].北京:人民郵電出版社,2005.

[2]盛和太.ANSYS有限元原理與工程應用實例大全[M].北京:清華大學出版社,2006.

[3]朱伯芳.有限單元法原理與應用[M].北京:中國水利水電出版社,1998.

[4]李亞東.橋梁工程概論[M].成都:西南交通大學出版社,2001.