基于ANSYS的橋梁全樁基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)物是由地基、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)組成的，上部結(jié)構(gòu)可以是橋梁等?；A(chǔ)起著將上部結(jié)構(gòu)荷載傳入地基和將地震荷載傳給上部結(jié)構(gòu)的連接作用。因?yàn)榛A(chǔ)是支撐在地基之上的，不能將基礎(chǔ)單純看為一個(gè)結(jié)構(gòu)，它的力學(xué)行為與地基和上部結(jié)構(gòu)的剛度有很大聯(lián)系。因此，在進(jìn)行基礎(chǔ)的力學(xué)分析時(shí)，很難得到理論解，通常要進(jìn)行數(shù)值分析。計(jì)算機(jī)數(shù)值技術(shù)的發(fā)展，使得人們可以用有限元數(shù)值模擬方法對(duì)基礎(chǔ)工程進(jìn)行力學(xué)分析，本文采用的大型有限元商業(yè)軟件ANSYS可以用于橋梁基礎(chǔ)工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 ANSYS簡(jiǎn)介

ANSYS有限元軟件是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來(lái)求解結(jié)構(gòu)、流體、電力及碰撞等問(wèn)題。軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)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(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)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(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。

2 橋梁的力學(xué)分析模型

全樁基礎(chǔ)是一種迅速發(fā)展的深基礎(chǔ),在橋梁工程中應(yīng)用極為廣泛。在橋梁的設(shè)計(jì)和施工中,確定全樁基礎(chǔ)在自重荷載、活載和地基反力作用下的變形和應(yīng)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(lái)描敘反作用力。

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

彈性半無(wú)限空間地基模型：假定地基為一個(gè)均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的無(wú)限空間彈性體，地基表面任意一點(diǎn)的變形不僅與該點(diǎn)上的作用力的大小有關(guān)，而且與基礎(chǔ)上所有的荷載都有關(guān)系。

有限壓縮層地基模型：把地基看成側(cè)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(chǔ)，建立地基壓縮層變形與地基作用荷載間的關(guān)系。

在以上三種地基簡(jiǎn)化模型中，由于溫克爾地基模型沒(méi)有考慮計(jì)算點(diǎn)以外的荷載對(duì)計(jì)算點(diǎn)變形的影響，從而導(dǎo)致變形量偏?。欢霟o(wú)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(dǎo)致計(jì)算得到的變形過(guò)大；有限壓縮層地基模型所計(jì)算的變形結(jié)果跟實(shí)際值最接近，但是由于分層過(guò)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(shí)例分析

3.1 工程概況

筆者以某市的一座橋梁工程進(jìn)行分析。

上部結(jié)構(gòu)：采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱型梁，設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：采用鋼筋混凝土輕型橋臺(tái)，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(tái)的基礎(chǔ)則采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，而單柱式橋墩的基礎(chǔ)采用全樁。每個(gè)橋墩下布置6根直徑為1.5 m的全樁，樁長(zhǎng)25 m，嵌入到基巖中，屬于端承式樁。橋梁下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)如圖1所示，下部結(jié)構(gòu)的混凝土等級(jí)為C30。

圖1 橋墩、承臺(tái)的全樁布置圖（單位：cm）

根據(jù)筆者之前對(duì)工程的計(jì)算，本文作用在全樁基礎(chǔ)承臺(tái)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(chǔ)上的荷載主要為恒載，即來(lái)自橋梁的自重荷載。

3.2 有限元模型的建立

有限元計(jì)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(tái)集合體采用映射網(wǎng)格劃分，樁體采用自由網(wǎng)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(chǔ)幾何及有限元模型

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

本文做了自重荷載條件下全樁基礎(chǔ)三維仿真分析和汽車—超20級(jí)荷載條件全樁基礎(chǔ)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(qū)域結(jié)構(gòu)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(yīng)力等值線圖。

3.3.2 汽車—超20級(jí)荷載條件下的分析

（1）圖6為汽車—超20級(jí)荷載條件下的圖形區(qū)域結(jié)構(gòu)變形圖。

圖3 結(jié)構(gòu)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(yīng)力圖

（2）圖7為結(jié)構(gòu)的y方向位移等值線圖。

（3）圖8為汽車—超20級(jí)荷載作用下的第1、3主應(yīng)力等值線圖。

圖6 結(jié)構(gòu)變形圖

圖7 y方向位移等值線圖

由ANSYS軟件計(jì)算結(jié)果可知，全樁基礎(chǔ)在恒載作用下結(jié)構(gòu)的最大下沉量為2.5 mm,而在活載（汽車—超20級(jí)）作用下結(jié)構(gòu)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(chǔ)能夠滿足正常使用極限狀態(tài)的要求。在自重作用下結(jié)構(gòu)混凝土的最大拉應(yīng)力為0.84 MPa,壓應(yīng)力為-7.0 MPa,而活載作用下結(jié)構(gòu)混凝土的最大拉應(yīng)力為0.075 MPa,壓應(yīng)力為-0.63 MPa。從而可知總的拉壓應(yīng)力都不大,該橋梁所設(shè)計(jì)的全樁基礎(chǔ)能夠滿足承載能力極限狀態(tài)的要求,其變形和應(yīng)力中因結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的為主要部分,且自重作用產(chǎn)生的應(yīng)力和變形為活載作用產(chǎn)生的10倍左右。

圖8 超荷載作用下的第1、3主應(yīng)力圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了橋梁全樁基礎(chǔ)的三維仿真分析。首先介紹了某連續(xù)梁橋全樁基礎(chǔ)的構(gòu)造設(shè)計(jì)，包括承臺(tái)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(chǔ)三維仿真分析建模和網(wǎng)格劃分。接著分別介紹了在自重荷載（恒載）和汽車—超20級(jí) 荷載（活載）作用下進(jìn)行全樁基礎(chǔ)三維仿真分析并分析了計(jì)算結(jié)果。

應(yīng)用ANSYS大型通用有限元軟件建立的實(shí)體模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)類似,模型和各種結(jié)果云圖都比較直觀,實(shí)體單元對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的分析比較豐富,不但可以計(jì)算正應(yīng)力,還可以計(jì)算主應(yīng)力等。全樁基礎(chǔ)的應(yīng)力和變形主要由結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生,這提示人們?cè)诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要盡量選用輕型材料,以減輕結(jié)構(gòu)自重,控制基礎(chǔ)變形?？梢詰?yīng)用實(shí)際觀測(cè)結(jié)果和仿真分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,以判斷仿真分析的準(zhǔn)確度,為同類工程提供參考。

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