ANSYS桩基础算例

桩基础算例
桩基础由基桩和连接于桩顶的承台共同组成。

若桩身全部埋于土中，承台底面与土体接触，则称为低承台桩基；若桩身上部露出地面而承台底位于地面以上，则称为高承台桩基。

建筑桩基通常为低承台桩基础。

高层建筑中，桩基础应用广泛。

一般工程结构都是由地基、基础和上部结构组成。

上部结构可以是桥梁或房屋建筑物等，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。

算例:桥梁桩基础的静力分析问题
问题描述：承台全桩基础断面尺寸为8.5m*8.5m，如图1所示。

其中，承台厚3m，全桩长32m，采用4根直径为2m的钻孔灌注桩，桩基础混凝土全部采用C30混凝土，弹性模量MPa
3⨯
=，泊松比μ=0.2，质量密度为2500kg/m³，
E4
10
地基土的水平抗力系数的比例系数m=25000kN,Q=3000kN和M=6000kN·m。

图2
解题思路：
1.计算桩柱的等效集中弹簧刚度Ki
按照规范，地基土堆桩柱侧面的地基系数随深度y 成正比例增长，即C=my （m 是“m ”法的地基系数），故可先从覆盖层顶面（冲刷线）向下绘出地基系数图，如图2所示。

本例将桩柱全长等分为15段，各中间集中弹簧的刚度可按下式计算：
顶部集中弹簧的刚度为： 100b K ϖ= 式中：1b ——桩的计算宽度；
m ——比例系数，本例中取4/10000m kN m =； λ——节段长度；
i z ——自地面至第i 集中弹簧的距离；
0ϖ——#0集中弹簧在其一侧2/λ长度内的地基系数分布图面积。

i
i mz b K λ1
=
各集中弹簧刚度值如表1所示。

表1 各集中弹簧刚度值
2.建立有限元模型
本例各桩净长32m，冲刷线以上的桩段长2m，为便于计算，所有桩的单元长度均取2m，采用Beam189单元分别模拟承台和基桩，而承台与各桩桩顶用刚臂（Mpc184单元）连接，并用Combin14单元模拟桩身与土的相互作用。

桩基础算例tm1412
FINISH $/CLEAR $/PREP7
LOCAL,11,,,,,,-90 !*定义局部坐标系
建立编号11的局部坐标系，原点与坐标原点一致，绕y轴反方向旋转90度。

ET,1,BEAM189 $ET,2,MPC184 $KEYOPT,2,1,1
建立beam189单元1和mpc184单元2，2表示单元类型编号，1表示KEYOPT（1），1表示7个自由度，考虑翘曲，输出双力矩和双曲率。

ET,3,COMBIN14 $R,1000 $R,2000 $R,3000,22140
使用COMBIN14弹簧单元，实常数分别为1000,2000,3000，集中弹性刚度22140。

SECTYPE,1,BEAM,RECT $SECDATA,8.5,8.5 !*定义承台截面
定义承台截面类型，即1号矩形截面宽8.5，高8.5。

SECTYPE,2,BEAM,CSOLID $SECDATA,1,16,4 !*定义基桩截面
定义基础截面类型，即2号实心圆柱截面，数据尺寸：1,16,4。

MP,DENS,1,2500 $MP,EX,1,3E7 $MP,PRXY,1,0.2 !*定义材料属性
定义材料属性，材料密度2500，弹性模量13*10^7，泊松比0.2。

K,1 $K,2,0,0,3 $K,3,-2.5,2.5,0 $L,1,2 !*创建关键点及线
创建关键点及线：点1（0,0,0）点2（0,0,3）点3（-2.5,2.5,0），通过点1和点2创建线。

LATT,1,1000,1,,,,1 $LESIZE,ALL,,,3 $LMESH,ALL !*网格划分
进行网格划分，材料1号，实常数1000，将所有的网格划分为3段，再对所有线划分。

KGEN,2,3,,,,,-32 $L,3,4
kgen是指复制关键点，2表示复制一遍（加上本来有的，复制完了是2组关键点），3为关键点，-32指沿z轴方向移动的距离，即将点3沿z轴方向移动-32进行复制。

并通过点3和点4连接直线。

LSEL,S,LENGTH,,32 $LATT,1,1000,1,,,,2 $LESIZE,ALL,,,16 $LMESH,ALL
选择所有线长小于32的线段，设置线性材料为1号，实常数为1000，单元类型1号，截面是2号。

进行网格划分，划分为16段，对所有线进行划分。

LSEL,S,LENGTH,,32,,,1 $LSYMM,Y,ALL $LSYMM,X,ALL
选择所有线长小于32的线段，沿y轴镜像，沿x轴镜像。

KSEL,S,LOC,Z,0 $KPLOT
选择所有z轴坐标为0的有效点，并显示点。

L,1,3 $L,1,5 $L,1,7 $L,1,9 !*创建承台与基桩的固结连接
1与3之间建立连接线，1与5之间建立连接线，1与7之间建立连接线，1与9之间建立连接线。

LSEL,S,LOC,Z,0 $LATT,,2000,2 $ESIZE,,1 $LMESH,ALL
选择所有z轴为0的线段，定义实常数2000，单元类型2号，划分为一段并产生所有的线单元。

NSEL,S,LOC,Z,-32 $D,ALL,ALL !*施加桩底固结!*施加桩侧弹簧选择所有z坐标是-32的点，并施加约束力。

*DO,I,1,15 $NSEL,S,LOC,Z,-2*I $NGEN,2,1000,ALL,,,0.5 $*ENDDO
i从1至15循环，选择所有z轴坐标为-2的节点，对所有节点进行复制，复制2次，每次复制节点时节点号码的增加量是1000，间距比是0.5.
*DO,I,1,15 $NSEL,S,LOC,Z,-2*I $NSEL,U,LOC,X,-2 $NSEL,U,LOC,X,3
i从1至15循环，选择所有z轴坐标为-2的节点，选择消除所有x轴坐标为-2的节点，选择消除所有x轴坐标为3的节点。

NGEN,2,2000,ALL,,,,-0.5 $*ENDDO !*创建桩侧弹簧节点
所有节点进行复制，复制2次，每次复制节点时节点号码的增加量是1000，间距比是-0.5.。

TYPE,3 $REAL,3000
定义线单元类型3，实常数3000。

E,11,1011 $E,11,2011 $E,44,1044 $E,44,2044
通过节点来建立单元，即11和1011形成单元，11和2011形成单元，44和1044形成单元，44和2044形成单元。

E,77,1077 $E,77,2077 $E,110,1110 $E,110,2110
通过节点来形成单元，即77和1077形成单元，77和2077形成单元，110和1110形成单元，110和2110形成单元。

*DO,I,1,14 $R,I,I*177120 $*ENDDO
定义参数i，1到14循环，定义实常数i，i*177120，结束循环。

*DO,I,1,14 $TYPE,3 $REAL,I $E,I*2+11,I*2+1011 $*ENDDO
定义参数i，1到14循环，定义单元类型3，实常数i，通过节点I*2+11,I*2+1011 生成单元，结束循环。

*DO,I,1,14 $TYPE,3 $REAL,I $E,I*2+11,I*2+2011 $*ENDDO
定义参数i，1到14循环，定义单元类型3，实常数i，通过节点I*2+11,I*2+2011 生成单元，结束循环。

*DO,I,1,14 $TYPE,3 $REAL,I $E,I*2+44,I*2+1044 $*ENDDO
定义参数i，1到14循环，定义单元类型3，实常数i，通过节点I*2+44,I*2+1044 生成单元，结束循环。

*DO,I,1,14 $TYPE,3 $REAL,I $E,I*2+44,I*2+2044 $*ENDDO
定义参数i，1到14循环，定义单元类型3，实常数i，通过节点I*2+44,I*2+2044 生成单元，结束循环。

*DO,I,1,14 $TYPE,3 $REAL,I $E,I*2+77,I*2+1077 $*ENDDO
定义参数i，1到14循环，定义单元类型3，实常数i，通过节点I*2+77,I*2+1077 生成单元，结束循环。

*DO,I,1,14 $TYPE,3 $REAL,I $E,I*2+77,I*2+2077 $*ENDDO
定义参数i，1到14循环，定义单元类型3，实常数i，通过节点I*2+77,I*2+2077 生成单元，结束循环。

*DO,I,1,14 $TYPE,3 $REAL,I $E,I*2+110,I*2+1110$*ENDDO
定义参数i，1到14循环，定义单元类型3，实常数i，通过节点I*2+110,I*2+1110 生成单元，结束循环。

*DO,I,1,14 $TYPE,3 $REAL,I $E,I*2+110,I*2+2110$*ENDDO
定义参数i，1到14循环，定义单元类型3，实常数i，通过节点I*2+110,I*2+2110 生成单元，结束循环。

NSEL,S,LOC,X,-2 $NSEL,A,LOC,X,3 $D,ALL,ALL
选择所有x轴坐标为-2和3的节点，并施加约束力。

NSEL,S,LOC,Y,2 $NSEL,A,LOC,Y,-3 $D,ALL,ALL !*施加集中荷载和自重选择所有x轴坐标为2和-3的节点，并施加约束力。

NSEL,S,LOC,Z,3 $NROTAT,ALL !*旋转节点坐标系
选择所有z轴坐标为3的节点，将节点坐标系旋转到与当前坐标系方向一致。

F,ALL,FX,3000 $F,ALL,FZ,-25000 $F,ALL,MY,6000
对所有节点施加沿x轴方向上的3000集中力，对所有节点施加沿z轴方向上的-25000集中力，对所有节点施加沿y轴方向上的6000集中力。

ACEL,0,9.8E-3,0 $ALLSEL$/ESHAPE,1$EPLOT !*求解并查看结果施加在y轴指向正方向的9.8*10^-3重力加速度，并显示所有的单元形状。

/SOLU $SOLVE $/POST1 $PLDISP,1
进入求解器进行求解，再进行结果后处理，同时显示变形前及变形后的的结构形状
PLNSOL,U,X,2 !*查看桩基础水平位移
显示节点 x方向的水平位移变化情况。

ETABLE,IMOM,SMISC,3$ETABLE,JMOM,SMISC,16
定义单元值的表，i节点单元表名称为imom和j节点单元表名称为jmom。

PLLS,IMOM,JMOM !*查看弯矩
显示单元表imom和jmom结果
总结：工程结构一般由地基、基础和上部结构组成，其中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。

在基础的构造形式中，桩基础是目前主要的一种基础形式，其快捷的施工、高强度得承载力和稳定性、低廉的造价以及能够适应多种地质条件使得桩基础更加广泛应用在复合地基的处理当中。

它由基桩和连接于桩顶的承台共同组成。

桩基础的沉降量和承载力是桩基础的核心问题，本节“桩基础算例”主要研究的就是桩基顶部抗弯和抗剪的力学性能。

运用ANSYS软件对桩基础进行分析的过程，大致经过了单元材料定义属性、建模、网格划分、边界条件约束、加载荷载、后处理分析、结果整理等步骤。

在前处理器中，定义单元、材料、实常数等参数，建立模型，划分网格。

材料分为线性和非线性两种，主要定义的是弹性模量、泊松比、剪切角、磨擦角、粘聚力和密度等。

另外，网格划分的成功与否关系到加载求解的成败，在进行网格划分时，要根据不同的单元类型选择合适的不同的网格划分形式。

加载主要是对模型进行边界条件自由度约束，即向模型施加桥墩传下来作用于承台上的力（N=25000kN，Q=3000kN，M=6000kN·m）。

而后处理将将分析结果
可视化，可以查看静态分析、模态分析、屈曲分析等，能够显示出云图、变形图和结果列表的绘制，具有很强的实践性和实际意义。