陈辉

（海门东方路桥工程有限公司，江苏海门 226100）

0 前言

一般工程结构物是由地基、基础和上部结构组成的，上部结构可以是桥梁等。基础起着将上部结构荷载传入地基和将地震荷载传给上部结构的连接作用。因为基础是支撑在地基之上的，不能将基础单纯看为一个结构，它的力学行为与地基和上部结构的刚度有很大联系。因此，在进行基础的力学分析时，很难得到理论解，通常要进行数值分析。计算机数值技术的发展，使得人们可以用有限元数值模拟方法对基础工程进行力学分析，本文采用的大型有限元商业软件ANSYS可以用于桥梁基础工程的结构设计。

1 ANSYS简介

ANSYS有限元软件是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力及碰撞等问题。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析），可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

2 桥梁的力学分析模型

全桩基础是一种迅速发展的深基础,在桥梁工程中应用极为广泛。在桥梁的设计和施工中,确定全桩基础在自重荷载、活载和地基反力作用下的变形和应力极为重要。有线弹性地基模型、非线性弹性模型和弹塑性地基模型来描叙反作用力。

温克尔地基模型：假定地基表面任意一点的变形与该点出的压力成正比，而与其他点上压力无关。温克尔地基模型是把地基视为在杆系基础上的一系列侧面无摩擦的土柱组成，地基仅在荷载作用区域有竖向变形，而在荷载作用区域外则无变形，基地的反力成直线分布。

弹性半无限空间地基模型：假定地基为一个均质、连续、各向同性的无限空间弹性体，地基表面任意一点的变形不仅与该点上的作用力的大小有关，而且与基础上所有的荷载都有关系。

有限压缩层地基模型：把地基看成侧限条件下有限条件下有限深度的压缩土层，以分层总和法为基础，建立地基压缩层变形与地基作用荷载间的关系。

在以上三种地基简化模型中，由于温克尔地基模型没有考虑计算点以外的荷载对计算点变形的影响，从而导致变形量偏小；而半无限空间弹性模型由于夸大了地基的深度和土的压缩性，常导致计算得到的变形过大；有限压缩层地基模型所计算的变形结果跟实际值最接近，但是由于分层过多，工作量大，不易推广使用。因此常用的是温克尔地基模型。

3 实例分析

3.1 工程概况

笔者以某市的一座桥梁工程进行分析。

上部结构：采用预应力混凝土箱型梁，设计为等截面梁。梁高为3 m，顶板宽11 m、厚30 cm，底板宽6 m、厚25 cm，腹板厚50 cm。箱型梁材料为C50混凝土。

下部结构设计：采用钢筋混凝土轻型桥台，而桥墩采用矩形断面单柱式钢筋混凝土桥墩。桥墩高20 m，横断面为5 m×3 m，3 m是桥梁纵向的，5 m是桥梁横向的。轻型桥台的基础则采用扩大基础，而单柱式桥墩的基础采用全桩。每个桥墩下布置6根直径为1.5 m的全桩，桩长25 m，嵌入到基岩中，属于端承式桩。桥梁下部结构的设计如图1所示，下部结构的混凝土等级为C30。

图1 桥墩、承台的全桩布置图（单位：cm）

根据笔者之前对工程的计算，本文作用在全桩基础承台上的恒载为18 900.8 kN，而汽车活载为1 500.48 kN。从而可知在此作桥梁中，作用在全桩基础上的荷载主要为恒载，即来自桥梁的自重荷载。

3.2 有限元模型的建立

有限元计算需建立有限元模型。图2为三维几何及有限元模型图。上承台集合体采用映射网格划分，桩体采用自由网格划分。模型的弹模E=30 GPa，泊松比 ν=0.17，密度 ρ=2 500 kg/m3。

图2 全桩基础几何及有限元模型

3.3 计算结果分析

本文做了自重荷载条件下全桩基础三维仿真分析和汽车—超20级荷载条件全桩基础三维仿真分析。

3.3.1 自重荷载条件下的分析

（1）图3为图形区域结构变形图。

（2）图4为自重作用下的y向位移等值线图。

（3）图5为自重作用下的第1、3主应力等值线图。

3.3.2 汽车—超20级荷载条件下的分析

（1）图6为汽车—超20级荷载条件下的图形区域结构变形图。

图3 结构变形图

图4 自重作用下的y向位移图

图5 自重作用下的第1、3主应力图

（2）图7为结构的y方向位移等值线图。

（3）图8为汽车—超20级荷载作用下的第1、3主应力等值线图。

图6 结构变形图

图7 y方向位移等值线图

由ANSYS软件计算结果可知，全桩基础在恒载作用下结构的最大下沉量为2.5 mm,而在活载（汽车—超20级）作用下结构最大下沉量为0.2 mm,所以总的位移变形量很小,所以,该全桩基础能够满足正常使用极限状态的要求。在自重作用下结构混凝土的最大拉应力为0.84 MPa,压应力为-7.0 MPa,而活载作用下结构混凝土的最大拉应力为0.075 MPa,压应力为-0.63 MPa。从而可知总的拉压应力都不大,该桥梁所设计的全桩基础能够满足承载能力极限状态的要求,其变形和应力中因结构自重产生的为主要部分,且自重作用产生的应力和变形为活载作用产生的10倍左右。

图8 超荷载作用下的第1、3主应力图

4 结语

本文主要介绍了桥梁全桩基础的三维仿真分析。首先介绍了某连续梁桥全桩基础的构造设计，包括承台的尺寸、桩的尺寸和布置以及桥墩的几何尺寸等。然后介绍了全桩基础三维仿真分析建模和网格划分。接着分别介绍了在自重荷载（恒载）和汽车—超20级 荷载（活载）作用下进行全桩基础三维仿真分析并分析了计算结果。

应用ANSYS大型通用有限元软件建立的实体模型与实际结构类似,模型和各种结果云图都比较直观,实体单元对应力场的分析比较丰富,不但可以计算正应力,还可以计算主应力等。全桩基础的应力和变形主要由结构自重产生,这提示人们在结构设计中要尽量选用轻型材料,以减轻结构自重,控制基础变形。可以应用实际观测结果和仿真分析结果进行对比,以判断仿真分析的准确度,为同类工程提供参考。

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