2004 ANSYS 中国用户论文集046

1、2004 ANSYS 中国用户论文集苏通大桥索塔群桩基础的 Ansys 有限元分析潘建伍东南大学土木学院，南京，210096曾有金南京水利科学研究院，南京，210024 摘要 本文运用 Ansys 软件，对苏通长江公路大桥索塔群桩基础与土体的共同作用进行了有限元分析。对网格密度、桩土界面的处理、线性和非线性分析的结果等方面进行了探讨。非线性分析结果与离心模型实验结果符合良好，表明苏通大桥哑铃形承台群桩基础的设计是合理的，用Ansys 对群桩基础进行非线性分析是可行的。 关键词 苏通大桥，群桩基础， 非线性分析FEA Analysis of Pile Group Foundation of Su

2、Tong Bridgewith AnsysPan JianwuSoutheast University, College of Civil Engineering, Nanjing ,210096Zeng YoujinNanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing, 210024, Abstract The pile group foundation of Sutong Bridge is analyzed using Ansys. Some problems are discussed such as the mesh density ,inter

3、face of pile and soil ,the contrast of linear and nonlinear analysis resulits, etc. The results of nonlinear analysis are in good agreement with the experiment results. It indicates that the design of the pile group foundation of Sutong Bridge is reasonable, and nonlinear analysis of pile group foun

4、dation with Ansys is feasible. Keyword Sutong Bridge, Pile Group Foundation, Nonlinear Analysis2004 ANSYS 中国用户论文集1 前言苏通长江公路大桥是江苏省“九五”重大基础建设项目，为跨越长江的重要交通枢纽。主桥采用特大跨双塔斜拉桥方案，主跨跨度在斜拉桥中位于世界前列，桥塔结构尺寸、基础尺寸都为国内外罕见。该桥位于长江河口段，第四系地层厚达 300 米左右。在如此深厚的覆盖土层上修建重大的斜拉桥，国内外尚无先例，技术难度很大。因此，采用现场地质报告所提供的数据资料，对索塔群桩基础与土体共同作用

5、进行有限元分析，可为确保基础施工以及后期运营各阶段的安全，为大桥整体的安全和稳定提供可靠依据。2 有限元分析图 1 哑铃形承台图 2 桩位图2.1 模型概况2.1.1基本信息主桥索塔哑铃形承台群桩基础设计方案如图 1 所示。桩基为 131 根 D2.5(部分 2.8)钻孔桩，梅花式布置，如图 2 所示。桩入土深度在最小和最大冲刷时分别为 114 米和 76.8 米。在有限元分析中，主要根据主桥基础设计方案，对考虑冲刷，加设钢围堰等模型进行三维弹塑性分析。2.1.2单元承台和土体都用八节点六面体单元，桩用两节点欧拉梁单元。为消除自由度的不协调，确保正确传力，桩顶嵌入承台 1.5 米（为方便分网，

6、建模时在该位置根据桩位设置硬点）。由于索塔传来荷载的方向的复杂性，在承台顶部敷设表面效应单元，便于施力。在非线性分析中还设置了非线性弹簧单元模拟桩土作用。2.1.3材性承台和桩均为弹性，土体采用 Drucker-Prager 准则。分析时打开大变形开关。土层的材性根据文献 2 的实测数据得出，共分 6 个主要土层。2.1.4荷载和边界条件2004 ANSYS 中国用户论文集荷载考虑了成桥阶段的施工过程，采用单元死活模拟；成桥后索塔传来荷载由表面效应单元传递。土体的长、宽、高取核心区相应值的 2.54 倍。2.2 分析过程2.2.1网格密度的影响为兼顾计算效率与准确性，先用不同的网格密度进行试算

7、。单元的平面尺寸对结果的影响：（1）距离群桩较远处的土体的网格密度对土体核心区的应力的影响很小，可以用很疏的网格；（2）桩周土体的网格尺寸差异不能太大，一般应小于三倍，否则对群桩边缘的桩的影响很显著；（3）土体核心区桩与桩之间用两个或以上的单元。经过网格密度的收敛性分析，最终的网格形状如图 3。图 3 网格划分（左为四分之一土体俯视图，右为整体模型）2004 ANSYS 中国用户论文集图 4 弹性分析结果（局部）确定平面网格尺寸之后，沿深度进行扫掠，约 410 米一层。应用 Ansys 的单元形状检查工具，确认无病态单元之后，再进行分析。各个模型的全部单元数量约为 23 万。2.2.2弹性分析

8、桩、土、承台均为弹性，桩土完全耦合。目的是定性考察承台的应力、桩顶反力的分布规律。结果显示，桩顶反力呈明显的 W 形分布（图 5），趋势与离心模型实验结果相符，但在量上相差较大，需进一步进行非线性分析。2.2.3非线性分析土体采用 DP 准则。桩土作用先考虑三个方案用单桩进行了试算：(1)接触对；（2）非线性弹簧；（3）薄层薄弱单元。最终采用非线性弹簧模拟其相互作用，因为其在准确性、计算费用、参数设置的灵活性等方面都有优势。非线性分析结果与弹性分析的结果相比趋于合理，与离心模型实验的结果相符（图 5）。最后进行了不同工况的参数分析，得出以下结论：在成桥阶段，无冲刷、有护底的条件下最大桩顶反力最小；而最大冲刷深度条件下最大桩顶反力最大，约为 30MN（离心模型实验值32MN），仍小于单桩极限承载力，最大与最小桩顶反力比约为 1.42.1（离心模型实验值1.22.3)。2004 ANSYS 中国用户论文集400003500030000250002000015000100005000(KN)非线性(a排桩)非线性(b排桩)非线性(c排桩)弹 性(a排桩)弹 性(b排桩)弹性(c排桩)(m)-60-40-200204060图 5 桩顶反力(1)顺桥向剖面（2）平面图（3）横桥向剖面图 6 成桥阶段土体塑性区分布（局