基于ANSYS 的水平受载桩桩身受力性能的研究

2011-07-09王文晋王成荟

山西建筑 2011年29期

王文晋王成荟

1 水平受载桩的研究现状

随着我国公路桥梁、港口、码头、大坝以及工业与民用建筑等事业的高速发展，钢筋混凝土基桩得到了广泛地应用［1］。目前对基桩的竖向承载力研究较为成熟，而对水平荷载作用下的混凝土基桩的研究相对较少。虽然相关规范对水平荷载下基桩的设计做了规定，但其计算理论仍较欠缺。当前对水平荷载下基桩受力的研究普遍集中在桩顶受力情况下桩土相互作用体系的研究，而对于桩身水平受荷的研究少之甚少［2］。

针对这一问题，本文对桩身承受水平荷载作用时混凝土基桩的受力性能进行了研究。

2 算例分析

本文选用某工程桩为算例，桩长L=12 m，截面为圆形，桩直径d=0.5 m，桩的弹性模量 Ep=2.4 MPa，质量密度 ρp=2 500 kg/m3。土为层状分布，土层参数见表1。表1中ρ为土的质量密度，kg/m3;v为土的泊松比;E为土的弹性模量，Pa。

表1 算例数据表

3 ANSYS模型的建立

ANSYS材料类型丰富，单元模型很多，找出适宜的材料对数值模拟结果起到决定性作用，本文对材料单元与性质的选取与讨论如下。

混凝土本构模型种类繁多，大体可分为线弹性模型、非线性弹性模型、塑性理论模型和其他力学理论的本构模型四类［3］。其中研究最多是非线性弹性和弹塑性模型，其他两类研究得较少。本文选取了非线性弹性模型，通过应力应变关系定义混凝土材料。

有限单元法中，土的本构模型直接影响到解的精确度。常用的土体本构模型有以下几种［4］:线弹性本构模型、非线性弹性模型、弹塑性本构模型、粘弹塑性本构模型。Drucker-Prager模型是较为成熟的一种模型，被广泛应用于桩土相互作用的数值计算。本文模型的建立即选用了D-P模型。

计算机模拟时，混凝土桩身选用Solid65单元，土体选用Solid45单元，钢筋选用Link8三维杆单元。环向箍筋设置20圈，竖向纵筋2根，钢筋横截面面积为1.387×10－8m2。

根据表1所列数据，建立了外径为0.5 m，内径为0.4 m的空心圆柱体几何模型。对于土体，本文建立了5层半圆柱体模型。其中，为了建立桩土接触面，在桩土相接处的位置，在柱体上划分了5个面。

4 桩身受力性状的分析

4.1 桩身水平位移曲线的分析

为了较好的研究出在水平荷载作用于桩身处情况下基桩是受力性能，本文设置了9 kN，36 kN，72 kN，108 kN共4种荷载。数值计算结果表明，对于桩身的水平位移，由于桩土作用中土体抗力变化的影响，桩身位移可以划分为3种类型:较小荷载，中等荷载和较大荷载。当处于较小的范围时，由于桩身混凝土和钢筋的刚度较强，桩顶位移最大，此时桩顶的土被挤压隆起如图1所示中9 kN时桩身位移曲线。当荷载水平荷载处于中等范围时，荷载作用处至桩顶的位移差别不大，如36 kN时桩身水平位移曲线。当水平荷载较大时，桩身发生弯曲，最大位移出现在荷载作用处，如108 kN时桩身水平位移曲线。

图1 水平荷载下桩身水平位移

图2 水平荷载下桩身水平应力

桩在水平荷载作用下将发生位移，促使桩周土发生相应的变形进而产生抗力，当桩变形增大到桩所不能容许的程度或桩周土失稳时，桩土体系便趋于破坏。从图1中可以看出，桩身水平受载时，荷载作用处水平位移最大，而对于桩顶，当荷载较小时，桩顶位移与荷载作用点上部点的位移差异不大。这是由于钢筋混凝土材料具有较强的刚度所致，此时桩顶位移最大。当荷载加大，桩顶位移与荷载作用点位移差异较为明显。表明了钢筋混凝土材料进入弹性变形阶段。此时桩的受力与简支梁中部受弯基本一致。

4.2 桩身水平应力曲线的分析

由计算机模拟结果可以看出，桩土接触面上节点水平应力呈拉压共存状态，如图2所示。这是由土体抗力产生的。桩身应力分布比较复杂，简单的模型难以总结出规律。对于荷载截面处，当荷载较大时如108 kN时才表现拉应力(14.25 MPa)，荷载较小时，一般最大应力为压应力，如9 kN时的压应力－9.74 MPa，且从桩顶至桩底的分布变化不大。随着荷载增大，应力出现大的波动，荷载作用附近出现应力极大值，如72 kN时，在3.6 m处应力最大。总体的情况是应力呈橄榄形分布，压应力与拉应力交错分布。