地震作用下混凝土灌注樁受力性能

　　關(guān)鍵詞：混凝土灌注樁；地震；有限元分析 

 

 

　　樁基礎(chǔ)使用歷史久遠(yuǎn)，早在新石器時(shí)代，人們就使用木樁在湖泊沼澤修筑房屋。有關(guān)樁基礎(chǔ)的理論研究也有近百年的時(shí)間，而隨著城市發(fā)展，城市用地日益緊缺，各種高、深建筑物的不斷出現(xiàn)，對(duì)地基基礎(chǔ)提出了更高

的要求�；炷�土樁是埋入土層的柱型構(gòu)件，樁的地震反應(yīng)既與樁周、樁端土層地震反應(yīng)有關(guān)，也與上部結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力反應(yīng)有關(guān)，因此，研究地震作用下樁基礎(chǔ)的動(dòng)力特性變得十分復(fù)雜和困難。近幾十年來(lái)，通過(guò)對(duì)歷次強(qiáng)

震觀測(cè)和震害調(diào)查表明，樁基礎(chǔ)的破壞主要有液化破壞、剪切破壞和樁帽脫落破壞三種基本形式。而現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于樁基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì)，主要依賴于經(jīng)驗(yàn)，有待于進(jìn)一步分析研究，因此，地震作用下樁土承臺(tái)的動(dòng)力特性

已成為樁基研究的新方向。 

 

 

　　傳統(tǒng)樁基抗震計(jì)算都是將地基假定為剛性，作用在基底的地震荷載視為靜定力，進(jìn)行基礎(chǔ)驗(yàn)算。此種方法沿用靜定分析方法，忽略上部結(jié)構(gòu)、樁、土之間的相互作用。地震作用下樁――土――結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相互作用分析

是樁基抗震研究的主要內(nèi)容。 

 

　　有限元法（FEM）數(shù)值分析方法已成為科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)人員在分析解決復(fù)雜問(wèn)題時(shí)主要使用的方法。目前比較流行的商業(yè)有限元專業(yè)軟件主要有ANSYS、SAP、ADINA、FLAC、PLAXIS、CRISP、MARC以及我國(guó)

自行開(kāi)發(fā)的在線有限元程序自動(dòng)生成軟件FEPG等，它們各有各的優(yōu)缺點(diǎn)和適用領(lǐng)域，而ANSYS是其中世界公認(rèn)的應(yīng)用最廣泛功能最強(qiáng)大的有限元軟件。ANSYS提供了強(qiáng)大的動(dòng)力計(jì)算分析功能、結(jié)構(gòu)非線性靜力，包括幾

何非線性、狀態(tài)非線性和材料非線性計(jì)算模塊。在本文的有限元分析模型中，就考慮混凝土、樁周土層等材料的非線性和樁土接觸狀態(tài)的非線性。 

 

　　在ANSYS中建模時(shí)，首先要對(duì)所研究的對(duì)象選擇能夠準(zhǔn)確反映其本構(gòu)關(guān)系的單元類型。群樁的研究對(duì)象是由鋼筋混凝土承臺(tái)和樁以及周圍的土體構(gòu)成的�；鶚逗屯馏w皆選用PLANE42（軸對(duì)稱）四節(jié)點(diǎn)單元，在建立模

型時(shí)起到輔助作用，SOLID45單元用于樁、土、承臺(tái)單元，用TARGE 170和CONTA174接觸單元來(lái)建立樁土之間非線性接觸。模型底部及側(cè)向邊界采用三向約束，對(duì)稱面加對(duì)稱約束。用ANSYS模擬的混凝土樁，相對(duì)于土

體材料，可視為剛性體，故可用理想線彈性模型假定樁體的應(yīng)力應(yīng)變成正比，應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力后應(yīng)力不變應(yīng)變無(wú)限增加。土的本構(gòu)關(guān)系采用德魯克普拉格屈服準(zhǔn)則，并以摩爾庫(kù)倫理論作為判斷土體破壞的準(zhǔn)則。 

 

 

　　本文采用2×2四樁模型進(jìn)行了群樁在豎向荷載作用下的樁、土、和承臺(tái)工作性狀的分析。在模型建立中，取土的寬度為承臺(tái)平面尺寸的5倍，土的深度取為2倍的樁長(zhǎng)。混凝土灌注樁樁徑400mm，樁長(zhǎng)10m。采取對(duì)稱

布樁，取1/4模型計(jì)算。為探討樁――土非線性相互作用體系在地震荷載下的反應(yīng)，輸入天津地震波的加速度時(shí)程，其中天津波的記錄時(shí)長(zhǎng)為2.0s，時(shí)間間隔.02s，一共1000個(gè)點(diǎn)，同時(shí)施加豎向荷載100kN。 

 

　　根據(jù)地震波z方向位移等值線分析，樁頂z向位移沿橫向偏移，說(shuō)明地震作用會(huì)使樁體產(chǎn)生水平方向變形。土體側(cè)向位移受地震波方向的影響，從樁底、樁頂附近逐漸擴(kuò)展到遠(yuǎn)離樁體的范圍。樁體豎向位移隨地震作用時(shí)

間的增長(zhǎng)而逐漸增大。地震作用增大了樁體沉降，因此，在抗震設(shè)防烈度較高地區(qū)采用樁基礎(chǔ)時(shí)，應(yīng)充分考慮地震作用對(duì)基礎(chǔ)沉降的不利影響。樁頂、樁底水平方向位移變化與地震波加速度時(shí)間曲線分布基本一致，說(shuō)明地

震作用對(duì)樁體側(cè)向位移有顯著影響，同時(shí)，由于地震波從地下向地表傳播，傳播過(guò)程中地震釋放能量逐漸衰減，因此樁底的位移值明顯高于樁頂位移。 

 

　　樁土承臺(tái)的共同作用，降低樁頂?shù)奈灰�，增大樁身上部承�?dān)的荷載。承臺(tái)邊角處應(yīng)力較小，樁與承臺(tái)嵌固處應(yīng)力較大，承臺(tái)、樁連接的薄弱處，容易發(fā)生剪切破壞。而目前樁――承臺(tái)連接方式為樁嵌入承臺(tái)，樁內(nèi)伸出

鋼筋按拉錨要求埋入承臺(tái)，其抗拔與嵌固均不足，致使鋼筋拔出、剪斷或樁頭與承臺(tái)相對(duì)位移，因此在施工過(guò)程中應(yīng)該引起足夠重視。 

 

 

　　通過(guò)ANSYS有限元數(shù)值分析，得到以下主要結(jié)論： 

 

　�。�1）土體上部結(jié)構(gòu)與樁底附近在載荷作用下為受力主要工作區(qū)，對(duì)地震響應(yīng)有較大貢獻(xiàn)，在樁體設(shè)計(jì)與土體處理中應(yīng)重點(diǎn)考慮。 

 

　�。�2）在地震作用下考慮樁――土間的非線性相互作用，將使樁――土運(yùn)動(dòng)相互作用體系的位移反應(yīng)值較靜載作用情形下有明顯的增大。 

 

　�。�3）采用接觸單元模擬樁土界面相互作用具有較好的靈活性，可以充分考慮樁土的脫離情況，較好地模擬剪力的傳遞、樁與土的相對(duì)位移及樁的破壞。 

 

　�。�4）利用ANSYS建立計(jì)算模型，模擬土體分層、非均質(zhì)的特性，并解決邊界條件難于確定的問(wèn)題，具有一定的科學(xué)價(jià)值。 

 

　　參考文獻(xiàn) 

 

　�。�1］王平.樁――土――承臺(tái)體系動(dòng)力相互作用的數(shù)值模擬［D］.天津：河北工業(yè)大學(xué)，2006. 

　　［2］譚建國(guó)等著.使用ANSYS進(jìn)行有限元分析［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2002.