ANSYS在高桩码头桩-土相互作用分析中的应用

本次推送算例以一处高桩码头考虑桩-土相互作用收静载作用下的分析。

研究桩体工作形状是对基桩竖向力学行为分析的前提。桩体与周围土体的刚度相差很大，一般在两者的界面处不满足变形协调条件，次数就需要解除单元来进行处理。因此，从桩-土相互作用的角度出发，研究桩体-土体的荷载传递方式和桩、土层材料对基桩竖向承载性能的影响，对正确评价桩基竖向承载能力具有重要意义。

1. 桩-土相互作用中所采用的单元

由于土体本身的复杂性、土层材料的非线性，土体与结构之间的摩擦相互作用产生非连续的变形，从而使得求解变得更加困难。目前常见的接触面处理的方式有：（1）直接法；（2）接触力学法；（3）接触面单元法，即在两相邻接触物体边界上，引入接触面单元，在相邻接触物体间起过渡作用，通过增量和迭代手段调整单元本构模型中的参数，模拟其应力-应变关系，该方法操作简单，概念清晰，易于实现。

ANSYS中对于3D接触单元设置，采用面-面接触的方式。通常将刚性物体的面，作为目标面，即Targe170单元，对于柔性物体的表面，当做接触面，常采用Conta173单元。

有关接触单元和目标单元的控制选项与输出，详情可去参考王新敏老师的《ANSYS结构分析单元与应用》一书，里面总结的非常详细，对于每个参数的取值与物理含义都解释的面面俱到。

在实际工程中，桩土相互作用接触面的摩擦系数选取比较复杂，它与桩侧表面的粗糙程度有关，当破坏面主要由土体的抗剪强度控制时，摩擦系数可能是较大的。一般混凝土桩，对粘性土的摩擦系数为0.25~0.4；对砂土的摩擦系数为0.5~1.0。--以上内容，部分节选自博士论文《高桩码头桩竖向荷载下静动力行为研究》

2. 桩周土体材料参数--理想弹塑性本构DP

3. 实际算例-仅供参考

采用实体单元solid65来模拟桩体，实体45单元来模拟周围土体。采用conta173和targe170来设置接触摩擦。具体材料参数见下图

单元与实常数设置

土体材料参数设置

建立桩-土体的几何模型，为便于网格划分规整，通常要对模型进行切分、细分，以保证划分网格尽量美观。

局部放大模型。

顶板施加静力荷载。

顶板的整体位移变形云图。

仅显示桩体部分的X方向位移云图。

仅显示桩体部分的整体位移云图。

仅显示桩体部分的MISES等效应力应力云图。

仅显示桩体部分的SZ方向应力云图。

仅显示桩体部分的X方向应变云图。

土体部分的X方向变形云图。

土体部分的应变云图

土体表面、桩体四周的塑性应变云图。

还可以通过编程提取桩身（实体单元）的轴力和弯矩，进行绘制。

必须要说明的是，当考虑土体与桩的共同作用时，所选取土体的参数对于结果的影响很大。土体的性质十分复杂，计算的参数的取值往往也比较困难。一般情况下，要利用现场实测资料初步确定土体的材料参数，通过计算结果与实验的结果进行对比修正土体参数；若直接根据实测资料确定土体参数，就需要仔细评判结果的正确性与合理性。

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