基于ANSYS二次开发的桩土相互作用的三维非线性有限元分析
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摘要
近年来,由于我国高层建筑的发展,桩筏基础被广泛采用。但由于桩筏基础是一个十分复杂的系统,许多方面的问题尚未解决。因此,发展桩土相互作用的实用、有效和可靠的理论和数值分析方法,进一步认识桩筏与地基土的共同作用机制,充分考虑筏板直接对地基土的荷载传递等因素,从而改进桩筏基础的传统设计方法,仍是目前迫切需要解决的课题。
ANSYS软件在应用于岩土工程领域时,对岩土等颗粒性材料,其程序内部仅提供了近似的Drucker-Prager材料模型,是一种理想的弹塑性模型,不能够很好地反映岩土材料的非线性本构关系,尚无国内岩土工程领域中广泛采用的反映岩土材料的非线性本构关系的Duncan-Chang模型。这一缺憾,无疑使ANSYS软件在土工有限元分析问题中的应用范围和适用性受到了局限。为弥补这一不足,本文首先基于ANSYS的用户可编程特性(UPFs )的二次开发功能,成功导入了Duncan-Chang非线性本构模型,并且对二次开发的成果进行了一系列的验证和比较。计算结果表明,模型算例的求解效率和精度令人满意,有望成为强大的解决大型复杂土工问题的非线性数值分析工具。
与此同时,由于桩土相互作用问题的复杂性,要获得解析解是十分困难的,所以利用非线性有限元法对该问题进行数值分析是非常必要的。本文建立了桩土相互作用的三维有限元-接触面单元的非线性耦合数值模型来模拟桩与土的几何、力学特性,基于ANSYS二次开发上编制了桩土相互作用的三维非线性有限元分析程序PSIFEM。利用该程序作为本课题研究的基本工具,对竖向荷载作用下的单桩、群桩与土相互作用机理进行了探讨,在计算中,主要考虑不同桩数、桩径、桩间距、桩长径比及承台刚度等条件下对桩筏基础体系的受力和变形影响,提出了桩筏基础设计的改进建议。
最后,结合本文所编的ANSYS二次开发程序,将本文的计算理论在天津的实际工程中进行了应用,取得了较好的效果。
In recent years, the piled raft foundation has been applied widely because of the development of high buildings in our country. But for the reason that the piled raft foundation is a very complicated system, there are many aspects of problems that have not been resolved. Therefore, it is an urgent task to develop effective and reliable theories and numerical analysis methods for the pile-soil interaction, understand the mechanism of the interaction between the piled raft foundation and the soil deeply, make clear about the load-transfer factors of the raft-soil and improve the traditional designing method of the piled raft foundation.
In ANSYS, only the Drucker-Prager model is provided for soil simulation. As considering soil as a perfect elastoplastic material, this model can only give an approximate simulation. With a nonlinear constitutive law, the Duncan-Chang model can make a good representation of soil, but it has not been implemented into ANSYS yet, which may limit ANSYS to more geotechnical research fields. Therefore, one purpose of this work is to implement the Duncan-Chang model into ANSYS based on the User Programmable Features (UPFs) of ANSYS. The compatibility between this implemented model and the platform of ANSYS has been verified by some numerical analysis cases, and the efficiency and accuracy of this program have been manifested by validation case studies. It could be expected that this program may be served as a powerful tool for complex geotechnical problems solving.
Meanwhile, the problem of the pile-soil interaction is so complex that it is impossible to gain an analytical result. Thus, it is necessary to employ the nonlinear finite element method to analyze this problem. In this paper, a three-dimensional nonlinear numeric model of the coupled finite element-contact interface element is established to simulate the geometrical and mechanical characteristic of piles and the soil. A program named PSIFEM, which is used to analyze the pile-soil interaction, is compiled with the secondary development of ANSYS. Based on this program, the interaction mechanism between soil and single pile or group piles under vertical load was studied. The influence of different parameters on the stress and deformation of piled raft foundation was investigated, which include the number of piles, pile diameter, pile spacing, ratio of pile-length to pile-diameter and the stiffness of cap. Several pieces of improvement advice about the optimization design of piled raft foundations are suggested.
Finally, the developed program has been applied to practical engineering problems in Tianjin, and good performance has been achieved.
ANSYS软件在应用于岩土工程领域时,对岩土等颗粒性材料,其程序内部仅提供了近似的Drucker-Prager材料模型,是一种理想的弹塑性模型,不能够很好地反映岩土材料的非线性本构关系,尚无国内岩土工程领域中广泛采用的反映岩土材料的非线性本构关系的Duncan-Chang模型。这一缺憾,无疑使ANSYS软件在土工有限元分析问题中的应用范围和适用性受到了局限。为弥补这一不足,本文首先基于ANSYS的用户可编程特性(UPFs )的二次开发功能,成功导入了Duncan-Chang非线性本构模型,并且对二次开发的成果进行了一系列的验证和比较。计算结果表明,模型算例的求解效率和精度令人满意,有望成为强大的解决大型复杂土工问题的非线性数值分析工具。
与此同时,由于桩土相互作用问题的复杂性,要获得解析解是十分困难的,所以利用非线性有限元法对该问题进行数值分析是非常必要的。本文建立了桩土相互作用的三维有限元-接触面单元的非线性耦合数值模型来模拟桩与土的几何、力学特性,基于ANSYS二次开发上编制了桩土相互作用的三维非线性有限元分析程序PSIFEM。利用该程序作为本课题研究的基本工具,对竖向荷载作用下的单桩、群桩与土相互作用机理进行了探讨,在计算中,主要考虑不同桩数、桩径、桩间距、桩长径比及承台刚度等条件下对桩筏基础体系的受力和变形影响,提出了桩筏基础设计的改进建议。
最后,结合本文所编的ANSYS二次开发程序,将本文的计算理论在天津的实际工程中进行了应用,取得了较好的效果。
In recent years, the piled raft foundation has been applied widely because of the development of high buildings in our country. But for the reason that the piled raft foundation is a very complicated system, there are many aspects of problems that have not been resolved. Therefore, it is an urgent task to develop effective and reliable theories and numerical analysis methods for the pile-soil interaction, understand the mechanism of the interaction between the piled raft foundation and the soil deeply, make clear about the load-transfer factors of the raft-soil and improve the traditional designing method of the piled raft foundation.
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Meanwhile, the problem of the pile-soil interaction is so complex that it is impossible to gain an analytical result. Thus, it is necessary to employ the nonlinear finite element method to analyze this problem. In this paper, a three-dimensional nonlinear numeric model of the coupled finite element-contact interface element is established to simulate the geometrical and mechanical characteristic of piles and the soil. A program named PSIFEM, which is used to analyze the pile-soil interaction, is compiled with the secondary development of ANSYS. Based on this program, the interaction mechanism between soil and single pile or group piles under vertical load was studied. The influence of different parameters on the stress and deformation of piled raft foundation was investigated, which include the number of piles, pile diameter, pile spacing, ratio of pile-length to pile-diameter and the stiffness of cap. Several pieces of improvement advice about the optimization design of piled raft foundations are suggested.
Finally, the developed program has been applied to practical engineering problems in Tianjin, and good performance has been achieved.
引文
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