利用ANSYS有限元軟件,建立承臺(tái)樁土三維模型,通過在樁土接觸面設(shè)置非線性接觸單元,模擬樁土側(cè)摩阻力,以及用solid45單元建立樁、土、承臺(tái)模型,同時(shí)在模型施加豎向荷載和地震波,模擬地震作用下承臺(tái)――混凝土樁――土的受力特性,對(duì)了解樁土承臺(tái)共同作用有積極意義。
關(guān)鍵詞:混凝土灌注樁;地震;有限元分析
1 引言
樁基礎(chǔ)使用歷史久遠(yuǎn),早在新石器時(shí)代,人們就使用木樁在湖泊沼澤修筑房屋。有關(guān)樁基礎(chǔ)的理論研究也有近百年的時(shí)間,而隨著城市發(fā)展,城市用地日益緊缺,各種高、深建筑物的不斷出現(xiàn),對(duì)地基基礎(chǔ)提出了更高
的要求;炷翗妒锹袢胪翆拥闹蜆(gòu)件,樁的地震反應(yīng)既與樁周、樁端土層地震反應(yīng)有關(guān),也與上部結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力反應(yīng)有關(guān),因此,研究地震作用下樁基礎(chǔ)的動(dòng)力特性變得十分復(fù)雜和困難。近幾十年來,通過對(duì)歷次強(qiáng)
震觀測和震害調(diào)查表明,樁基礎(chǔ)的破壞主要有液化破壞、剪切破壞和樁帽脫落破壞三種基本形式。而現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于樁基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì),主要依賴于經(jīng)驗(yàn),有待于進(jìn)一步分析研究,因此,地震作用下樁土承臺(tái)的動(dòng)力特性
已成為樁基研究的新方向。
2 分析方法與基本理論
傳統(tǒng)樁基抗震計(jì)算都是將地基假定為剛性,作用在基底的地震荷載視為靜定力,進(jìn)行基礎(chǔ)驗(yàn)算。此種方法沿用靜定分析方法,忽略上部結(jié)構(gòu)、樁、土之間的相互作用。地震作用下樁――土――結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相互作用分析
是樁基抗震研究的主要內(nèi)容。
有限元法(FEM)數(shù)值分析方法已成為科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)人員在分析解決復(fù)雜問題時(shí)主要使用的方法。目前比較流行的商業(yè)有限元專業(yè)軟件主要有ANSYS、SAP、ADINA、FLAC、PLAXIS、CRISP、MARC以及我國
自行開發(fā)的在線有限元程序自動(dòng)生成軟件FEPG等,它們各有各的優(yōu)缺點(diǎn)和適用領(lǐng)域,而ANSYS是其中世界公認(rèn)的應(yīng)用最廣泛功能最強(qiáng)大的有限元軟件。ANSYS提供了強(qiáng)大的動(dòng)力計(jì)算分析功能、結(jié)構(gòu)非線性靜力,包括幾
何非線性、狀態(tài)非線性和材料非線性計(jì)算模塊。在本文的有限元分析模型中,就考慮混凝土、樁周土層等材料的非線性和樁土接觸狀態(tài)的非線性。
在ANSYS中建模時(shí),首先要對(duì)所研究的對(duì)象選擇能夠準(zhǔn)確反映其本構(gòu)關(guān)系的單元類型。群樁的研究對(duì)象是由鋼筋混凝土承臺(tái)和樁以及周圍的土體構(gòu)成的;鶚逗屯馏w皆選用PLANE42(軸對(duì)稱)四節(jié)點(diǎn)單元,在建立模
型時(shí)起到輔助作用,SOLID45單元用于樁、土、承臺(tái)單元,用TARGE 170和CONTA174接觸單元來建立樁土之間非線性接觸。模型底部及側(cè)向邊界采用三向約束,對(duì)稱面加對(duì)稱約束。用ANSYS模擬的混凝土樁,相對(duì)于土
體材料,可視為剛性體,故可用理想線彈性模型假定樁體的應(yīng)力應(yīng)變成正比,應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力后應(yīng)力不變應(yīng)變無限增加。土的本構(gòu)關(guān)系采用德魯克普拉格屈服準(zhǔn)則,并以摩爾庫倫理論作為判斷土體破壞的準(zhǔn)則。
3 數(shù)值計(jì)算與分析
本文采用2×2四樁模型進(jìn)行了群樁在豎向荷載作用下的樁、土、和承臺(tái)工作性狀的分析。在模型建立中,取土的寬度為承臺(tái)平面尺寸的5倍,土的深度取為2倍的樁長;炷凉嘧稑稄400mm,樁長10m。采取對(duì)稱
布樁,取1/4模型計(jì)算。為探討樁――土非線性相互作用體系在地震荷載下的反應(yīng),輸入天津地震波的加速度時(shí)程,其中天津波的記錄時(shí)長為2.0s,時(shí)間間隔.02s,一共1000個(gè)點(diǎn),同時(shí)施加豎向荷載100kN。
根據(jù)地震波z方向位移等值線分析,樁頂z向位移沿橫向偏移,說明地震作用會(huì)使樁體產(chǎn)生水平方向變形。土體側(cè)向位移受地震波方向的影響,從樁底、樁頂附近逐漸擴(kuò)展到遠(yuǎn)離樁體的范圍。樁體豎向位移隨地震作用時(shí)
間的增長而逐漸增大。地震作用增大了樁體沉降,因此,在抗震設(shè)防烈度較高地區(qū)采用樁基礎(chǔ)時(shí),應(yīng)充分考慮地震作用對(duì)基礎(chǔ)沉降的不利影響。樁頂、樁底水平方向位移變化與地震波加速度時(shí)間曲線分布基本一致,說明地
震作用對(duì)樁體側(cè)向位移有顯著影響,同時(shí),由于地震波從地下向地表傳播,傳播過程中地震釋放能量逐漸衰減,因此樁底的位移值明顯高于樁頂位移。
樁土承臺(tái)的共同作用,降低樁頂?shù)奈灰,增大樁身上部承?dān)的荷載。承臺(tái)邊角處應(yīng)力較小,樁與承臺(tái)嵌固處應(yīng)力較大,承臺(tái)、樁連接的薄弱處,容易發(fā)生剪切破壞。而目前樁――承臺(tái)連接方式為樁嵌入承臺(tái),樁內(nèi)伸出
鋼筋按拉錨要求埋入承臺(tái),其抗拔與嵌固均不足,致使鋼筋拔出、剪斷或樁頭與承臺(tái)相對(duì)位移,因此在施工過程中應(yīng)該引起足夠重視。
4 結(jié)論
通過ANSYS有限元數(shù)值分析,得到以下主要結(jié)論:
(1)土體上部結(jié)構(gòu)與樁底附近在載荷作用下為受力主要工作區(qū),對(duì)地震響應(yīng)有較大貢獻(xiàn),在樁體設(shè)計(jì)與土體處理中應(yīng)重點(diǎn)考慮。
。2)在地震作用下考慮樁――土間的非線性相互作用,將使樁――土運(yùn)動(dòng)相互作用體系的位移反應(yīng)值較靜載作用情形下有明顯的增大。
。3)采用接觸單元模擬樁土界面相互作用具有較好的靈活性,可以充分考慮樁土的脫離情況,較好地模擬剪力的傳遞、樁與土的相對(duì)位移及樁的破壞。
。4)利用ANSYS建立計(jì)算模型,模擬土體分層、非均質(zhì)的特性,并解決邊界條件難于確定的問題,具有一定的科學(xué)價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
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