基于ANSYS有限元的設(shè)備支架方樁應(yīng)力分析

蔡 龍

（中國電力工程顧問集團中南電力設(shè)計院有限公司，湖北 武漢430071）

電力項目中，通常設(shè)備支架分布比較零散，受荷也較小，因此即使遇到地質(zhì)不良的情況，也較少采用地基處理方式解決，而會更多地使用單樁基礎(chǔ)?！督ㄖ痘夹g(shù)規(guī)范》對單樁基礎(chǔ)的設(shè)計理念和計算方法做出了規(guī)定[1]，但沒有引入樁土相互作用的影響。在實際工程中，設(shè)計人員對樁的應(yīng)力發(fā)展缺乏清晰的認識，往往盲目地增加樁徑和配筋來保證結(jié)構(gòu)的安全，造成了材料的浪費。

本文以某工程的混凝土方樁為例，采用有限元分析軟件ANSYS建立了樁-土非線性有限元模型，分析了在不同樁頂豎向和水平荷載作用下樁身的應(yīng)力水平，并與現(xiàn)行樁基規(guī)范結(jié)果進行了比較，得出了相關(guān)結(jié)論。

1 工程參數(shù)及有限元模型

采用邊長為0.4m的混凝土方樁模型，樁全長10m，其中入土深度8m，地面以上2m，如圖1所示。樁身采用solid65單元模擬[2]，土體采用combin14彈簧單元模擬，樁土接觸問題采用surf154表面效應(yīng)單元模擬[3]。其中樁身材料屬性如下：彈性模量E=3.25×104MPa，泊松比 μ=0.3，密度 ρ=2700kg/m3。地下土共分4層，性質(zhì)如下：

圖1 有限元分析模型

第1層埋深0-2m，樁側(cè)單位面積摩阻力為4.8kPa，土層水平抗力系數(shù)比例常數(shù)M值（以下簡稱M值）為2000kN/m4；

第2層埋深2-4m，樁側(cè)單位面積摩阻力為16.14kPa，土層M值為4000 kN/m4；

第3層埋深4-6m，樁側(cè)單位面積摩阻力為33.78 kPa，土層M值為5000kN/m4；

第4層埋深6m及以下，樁側(cè)單位面積摩阻力為40.53kPa，樁端單位面積端阻力為280kPa，土層M值為6000kN/m4。此層為樁端所在持力層。

此時，可利用《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ 94-2008經(jīng)驗公式預(yù)估模型樁的單樁承載力極限值[1]：

豎向承載力極限值：

水平承載力極限值：

2 計算結(jié)果分析

2.1 豎向力作用

在豎向荷載作用下，樁身的正應(yīng)力可以按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ 94-2008的公式計算[1]，如下所示：

式中，N為樁頂豎向力，Aps為樁身橫截面積。

為與規(guī)范結(jié)果比較，本次模擬依次在樁頂施加50、100、150、200、250、300、350、400、450、500kN的豎向力，得出了樁身最大正應(yīng)力模擬值。兩種結(jié)果如表1所示。

表1 豎向荷載作用下樁身最大正應(yīng)力比較

將兩種結(jié)果的曲線繪制在圖2 中可知，隨著豎向荷載的增大，樁身正應(yīng)力的模擬值呈近似線性升高的趨勢，這與規(guī)范值的曲線特點是一致的，說明在豎向單樁承載力極限值以內(nèi)，可以認為樁身尚處于彈性階段。不同的是，在各荷載水平下，應(yīng)力模擬值均略小于規(guī)范值，這是由于規(guī)范出于安全考慮，采取了Ψc=0.85的安全系數(shù)。在本次模擬中，由應(yīng)力模擬值和規(guī)范值反算出的安全系數(shù)位于0.865~0.804之間，且荷載水平越大時所得的安全系數(shù)越小（即偏不安全），這也驗證了規(guī)范所取系數(shù)Ψc=0.85的安全性和適用性。此外在設(shè)計過程中，樁頂豎向力都會被控制在單樁承載力特征值以內(nèi)，彼時的樁身最大正應(yīng)力與混凝土的受壓承載力比起來要小得多，因此不會成為控制設(shè)計的因素。

2.2 水平力作用

在水平荷載作用下，樁身的正應(yīng)力可以按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ 94-2008附錄C的公式計算[1]，如下所示：

式中，H0為樁頂水平力；DΙΙ為計算參數(shù)，可查表C.0.3-5。

取豎向力為零，依次在樁頂施加5、10、15、20、25、30、35、40、45、50kN的水平荷載，模擬出樁身最大正應(yīng)力值，與規(guī)范值一起列入表2，并將表示模擬值與規(guī)范值的曲線繪于圖3。

表2 水平荷載作用下樁身最大正應(yīng)力比較

圖3 水平荷載作用下樁身最大正應(yīng)力曲線

與豎向力作用時一樣，在一定范圍的水平力作用下，樁身最大正應(yīng)力模擬值和規(guī)范值均隨著荷載的升高而線性增大。一般情況下，模擬值要比規(guī)范值高出30%~45%，例如當(dāng)V=30kN時，模擬值是規(guī)范值的1.432倍。這是由于在水平荷載作用下，樁身混凝土不可避免的開裂，導(dǎo)致有效截面減小，應(yīng)力增大，而規(guī)范按彈性體計算出的樁身應(yīng)力則偏小。值得注意的是，盡管樁身正應(yīng)力模擬值比規(guī)范值要高出許多，但實際值仍較小，在設(shè)計過程中只需要少量配筋即可滿足樁身應(yīng)力的要求，樁身承載力由樁體水平位移控制。

水平荷載V=50kN作用下，樁身應(yīng)力分布情況見圖4所示。

圖4 水平荷載作用下樁身應(yīng)力圖

3 結(jié)論

本文通過建立樁-土非線性有限元模型，模擬了在豎向荷載和水平荷載作用下混凝土方樁的應(yīng)力發(fā)展情況，并與現(xiàn)行樁基規(guī)范的結(jié)果進行比較，得出以下結(jié)論：

（1）在一定范圍的豎向和水平荷載作用下，樁身應(yīng)力均隨著荷載強度的增大而線性升高，這一規(guī)律與樁基規(guī)范的結(jié)果是吻合的。

（2）豎向荷載作用下，樁身應(yīng)力模擬值要小于規(guī)范值，但反算得出的安全系數(shù)位于0.865~0.804之間，驗證了規(guī)范所取安全系數(shù)的適用性。此時，只要將外荷載控制在單樁承載力特征值以內(nèi)，樁身正應(yīng)力就遠小于混凝土抗壓強度，因此不會成為控制設(shè)計的因素。

（3）水平荷載作用下，樁身應(yīng)力模擬值普遍比規(guī)范值高出30%~45%，說明此時樁體已開裂，規(guī)范按彈性體計算的樁身應(yīng)力偏小。但此時僅需少量配筋即可滿足樁身應(yīng)力要求，樁身承載力仍由樁體水平位移控制。