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。因為基礎(chǔ)是支撐在地基之上的，不能將基礎(chǔ)單純看為一個結(jié)構(gòu)，它的力學行為與地基和上部結(jié)構(gòu)的剛度有很大聯(lián)系。因此，在進行基礎(chǔ)的力學分析時，很難得到理論解，通常要進行數(shù)值分析。計算機數(shù)值技術(shù)的發(fā)展，使得人們可以用有限元數(shù)值模擬方法對基礎(chǔ)工程進行力學分析，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。

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(shè)計程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、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(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)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(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，也可將計算結(jié)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(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(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(zhì)、連續(xù)、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(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??；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(jié)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(jié)構(gòu)：采用預應(yīng)力混凝土箱型梁，設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)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(chǔ)則采用擴大基礎(chǔ)，而單柱式橋墩的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)的設(shè)計如圖1所示，下部結(jié)構(gòu)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(jù)筆者之前對工程的計算，本文作用在全樁基礎(chǔ)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(chǔ)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(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(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）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

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，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(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 荷載（活載）作用下進行全樁基礎(chǔ)三維仿真分析并分析了計算結(jié)果。

應(yīng)用ANSYS大型通用有限元軟件建立的實體模型與實際結(jié)構(gòu)類似,模型和各種結(jié)果云圖都比較直觀,實體單元對應(yīng)力場的分析比較豐富,不但可以計算正應(yīng)力,還可以計算主應(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,這提示人們在結(jié)構(gòu)設(shè)計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。可以應(yīng)用實際觀測結(jié)果和仿真分析結(jié)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。

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