ansys桩基础算例

1问题描述桩基础是桥梁工程中广泛应用的重要基础形式之一。

如果场地浅层土的承载力低，无法满足桥梁结构对地基变形和承载力的要求时，需要考虑采用柱基础。

此次课程设计模拟了混泥土桩基（摩擦型）在竖向均布荷载作用下的反应。

具体设计资料如下：1.1柱基础假定场地的软弱土层较厚，桩端达不到坚硬土层或岩层上，桩顶的荷载主要靠桩身与土体之间的摩擦力来支承，桩尖处土层反力很小，可以忽略不计。

桩身采用C20混泥土，混泥E=3.2×1010N/m2，混泥土密度2500 KG/m3，混泥土泊松比0.167。

土抗压弹性模量C1.2土体由于桩基对周围土体的影响随着深度和影响半径的增大而逐渐减小，因此土体按照有限E=2.6×108N/m2，土体密度体积来考虑。

假设桩身周围的土体均质，土体的抗压弹性模量C1900 KG/m3，土体的泊松比0.42，桩基与周围土体的摩擦系数取0.2。

1.3荷载状况桥跨上部结构传递下来的荷载简化成竖向均布荷载，直接作用于桩基础顶部，不考虑水平力和弯矩的影响。

竖向均布荷载设计值为50×104Pa。

2单元的选择2.1桩基础混凝土桩基础，采用SOLID45单元。

SOLID45单元是八节点三维实体单元,每一个节点具有三个自由度。

单元的几何形状、结点位置和单元坐标系如图1所示。

该单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化以及大变形大应变和模拟各向异性等功能,所以模型中的桩基础混凝土单元采用SOLID45实体单元。

图1 SOLID45单元2.2土体土体单元选择170，土体与桩基的接触单元选择173。

ANSYS中能用于岩土材料的模型只有DP模型。

DP模型是理想弹塑性模型，理想弹塑性即应力达到屈服极限以后，应力不再增大，但是应变会一直增大。

ANSYS中设定DP模型需要输入3个参数，粘聚力，内摩擦角，膨胀角，其中的膨胀角是用来控制体积膨胀的大小的。

在岩土工程中，一般密实的砂土和超强固结土在发生剪切的时候会出现体积膨胀，因为颗粒重新排列了；而一般的砂土或者正常固结的土体，只会发生剪缩。

通过命令“TB,DP,2”将土体单元2定义为DP材料模型，“ TBDATA,,20000,31,29”分别定义土体的粘聚力200000、内摩擦角31、膨胀角29。

3本构关系材料的本构关系由材料本身决定，指材料在力作用下的变形特性（物理方程）。

此次模型中的土体采用DP材料。

在ANSYS中，这种材料采用的是Drucker-Prager(简称DP)。

DP屈服准则是莫尔-库伦准则的近似，通常称为广义Mises准则，它是在Mises屈服准则的基础上考虑了平均主应力对土的抗剪强度的影响。

DP准则的屈服面不随材料的逐渐屈服而改变，因此没有强化准则，其本构模型采用理想弹塑性。

该准则的屈服强度随着侧限压力的增加而增加，考虑了由于屈服而产生的体积膨胀，但不考虑温度变化的影响。

桩基础混凝土采用SOLID45单元，其本构关系可以用Mises屈服准则来描述。

4荷载（工况）在混凝土桩基础顶部施加竖直向下的均布荷载，大小为500000MPa。

对物体施加加速度9.8。

ACEL命令施加的是加速度而不是重力场，因此施加一个正方向的加速度相当于施加一个负方向的重力场。

5边界条件边界条件分为应力边界条件和几何边界条件。

边界条件通过约束的添加来实现。

选择土体的外边界面，施加三个自由度的约束。

选择土体的内边界面，施加对称约束。

选择土体的底边界面，施加Z轴方向的约束。

图2 施加边界约束及荷载6求解方法6.1建模过程桩基础尺寸2m ×2m ×6m ，其中埋入地下的桩基础长度为5m ，地表以上的桩基础长度为1m 。

通过一角点坐标和尺寸创建桩基础立方体模型，分别设定该立方体的长、宽、高。

图3 桩基础桩基周围土体尺寸16m ×16m ×15m ，通过一角点坐标和尺寸创建土体立方体模型，定义立方体的土体模型，分别设定该立方体的长、宽、高。

通过命令VSBV ，将桩基础模型放入土体中，这是两个体积相减的命令，生成土体+桩基模型，即掏空土体，在掏空的位置放入桩基。

图4 桩基模型划分网格。

用旋转、平移命令调整工作面，切割出桩基础以外的土体模型，并进行模型的网格划分。

在划分网格前，给土体赋予单元属性。

选择网格类型参数KEY=1,即映射网格划分，用四面体网格划分对土体几何实体模型进行网格划分。

用同样的方法对桩基础进行网格的划分。

图5 网格划分6.2求解使用静态分析求解，选择大变形效应分析选项。

打开自动时间步控制，自动时间步技术是指在求解时，程序根据问题的荷载相应计算每个子步结束时的最优时间步长，采用较少的资源获得有效解。

此次非线性静态分析中，自动时间步确定了子步之间荷载增量的大小。

7结果分析7.1受力分析在竖向均布荷载的作用下，桩顶以及桩底的应力云图如下所示（图5、图6）。

可以看出桩顶平面均匀受压，压应力值与均布荷载值相同。

从桩底的应力云图可以看出，桩底压应力分布不均匀，出现压应力的偏心，压应力最大的一侧为1850000Pa，而压应力最小一侧为178477Pa。

这说明桩基础在荷载的作用下发生了倾斜，导致桩基底部压应力不均匀。

图6 桩基顶部压应力云图图7 桩基底部压应力云图桩基础整体的应力图如下所示（图7）。

随着桩基入土深度的增加，桩基表面的压应力分布不同。

靠近偏心一侧，随着桩基入土深度的增加，桩基表面的压应力逐渐增大。

而远离偏心一侧的桩体恰好相反，随着桩基入土深度的增加，桩基表面的压应力逐渐减小。

因此，随着荷载的最大，破坏可能会出现在桩基底部。

图8 桩基底部压应力云图7.2变形分析桩基础采用SOLID45单元，该单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化以及大变形大应变和模拟各向异性等功能,在竖向均布荷载及自重的作用下，桩基础出现一定的下沉，最大沉降量为4.423mm。

8命令流FINISH/CLEAR/PREP7ET,1,SOLID45 定义混泥土单元类型ET,2,170 定义土体单元类型ET,3,173 定义接触单元类型KEYOPT,3,9,0 定义接触单元选项KEYOPT,3,12,2MP,EX,1,3.2E10 定义混泥土单元材料抗压弹性模量MP,PRXY,1,0.167 定义混泥土单元材料泊松比MP,DENS,1,2500 定义混泥土单元材料密度MP,EX,2,2.6E8 定义土体单元材料抗压弹性模量MP,PRXY,2,0.42 定义土体单元材料泊松比MP,DENS,2,1900 定义土体单元材料密度MP,MU,3,0.2 定义土体与桩基的摩擦系数R,1 定义实常数R,2R,3TB,DP,2 将土体单元2定义为DP材料，DP材料模型为理想弹塑性模型，专用于土体TBDATA,,19000,31,29 分别定义土体的粘聚力、内摩擦角、膨胀角BZHUANG=1.0 定义混泥土桩平面尺寸H1ZHUANG=1H2ZHUANG=5BTU=8 定义土体尺寸HTU=15BLC4,,,BTU,BTU,-HTU 通过一角点坐标和尺寸创建立方体，定义立方体的土体模型BLC4,,,BZHUANG,BZHUANG,-H2ZHUANGVSBV,1,2 这是两个体积相减的命令，生成土体+桩基模型WPOFF,BZHUANG 移动工作面（默认为xoy平面），工作面原点沿x轴移动。

因为工作面默认为xoy平面，可以根据需要调整工作面WPROTA,,,90 旋转工作面，绕y轴旋转90度。

（WPROTA,Z轴,X轴,Y轴）VSBW,ALL 用移动、旋转后的工作面切割WPOFF,,BZHUANG 同理WPROTA,,90VSBW,ALLWPCSYS,-1WPOFF,,,-H2ZHUANGVSBW,ALLNUMCMP,ALL 编号控制的命令，意思是重新排列节点号VATT,2,2,1 在划分网格前，给体赋予单元属性。

土体单元，默认坐标ESIZE,0.5 定义单元尺寸MSHKEY,1 网格类型选择，网格类型参数KEY=1,映射网格划分VMESH,ALL 对几何实体模型进行网格划分，四面体网格划分VSEL,NONE 选择体命令，不选择体,即重新创建桩基模型BLC4,,,BZHUANG,BZHUANG,H1ZHUANG+H2ZHUANGVATT,1,1,1VMESH,ALL 对几何实体模型进行网格划分，四面体网格划分ASEL,S,,,37,39,2 选择一组面ASEL,A,,,34NSLA,S,1 选中面中的节点（NSLA,Type,NKEY）。

NKEY=1选中所有和面联系的节点REAL,3 调用实常数3，即接触面的土体TYPE,2 调用单元类型2，即土MAT,3 调用材料属性3，即接触面的土体ESURF,ALL 生成接触单元ALLSEL,ALL 选择所有实体类型，定义了接触单元ASEL,S,,,6,10,2 选择一组面，土体面NSLA,S,1 选中土体面上的节点REAL,3TYPE,3ESURF,ALLASEL,S,LOC,X,0 选择面，用于定义土体四周的约束ASEL,A,LOC,Y,0DA,ALL,SYMM 对面施加自由度约束（DA,AREA,Lab,Value1,Value2）,对所有面施加约束，施加对称约束ASEL,S,LOC,X,BTUASEL,A,LOC,Y,BTUDA,ALL,ALL 对面施加自由度约束（DA,AREA,Lab,Value1,Value2）,对所有面施加约束，施加所有有效的自由度约束ASEL,S,LOC,Z,-HTUDA,ALL,UZ 对面施加自由度约束,对所有面施加约束，施加UZ方向的约束ASEL,S,LOC,Z,H1ZHUANG 选择面，用于在桩顶施加荷载SFA,ALL,1,PRES,50E4 施加面荷载，在整个面上施加面荷载，施加荷载的面号为1，压力，面荷载值50000PaALLSE,ALL/SOLUANTYPE,STATICNLGEOM,ON 计入大变形效应AUTOTS,ON 采用自动时间步ACEL,,,9.8 对模型施加加速度，9.8TIME,1 荷载步结束时的时间值为1sNSUBST 当前荷载步的子步数为100OUTRES,ALL,ALLSOLVEFINISH。