基于ANSYS的桥台土压力有限元分析.pdf

第25卷 第3期 2 0 0 5年6月 中 外 公 路 59 文章编号：1671—2579(2005}03—0059—04 基于 ANSYS的桥台土压力有限元分析 付宏渊 (长沙理工大学，湖南 长沙 410076) 摘 要：以有限元软件 ANSYS为计算工具，针对少(林寺)一洛(阳)高速公路桥台和台 后路堤与地基特点，模拟了试验桥台的受力和边界条件，建立了平面有限元模型。通过计算， 分析了桥台土压力分布规律及台背土压力随桥台位移发生变化的规律。并将有限元的分析 结果与现场土压力测试结果进行了对比分析，二者吻合较好。 关键词 ：土压力 ；桥台；有限单元法 有限单元法是结构受力分析的一个很有效的工 具，自从有 限单元法被 Clough和 Woodward在 1967 年被引入到土力学中以来，许多学者在土力学的很多 方面进行了应用，并取得了很好的效果。但国内外学 者对桥台土压力的有限元分析研究较少，因为它是一 个空间受力问题，对它进行有限元分析比较复杂。为 了简化起见，本文将桥台作为一个平面应变问题考虑， 运用大型有限元分析软件 ANSYS来分析，土体采用 理想弹塑性的 Drucker—Prager模型，接触面采用 AN— SYS中的面面接触模型，针对试验桥台、台后路堤和路 基的特点建立了有限元模型，计算得到桥台在不同变 位下的土压力大小和分布。并且还将有限元方法算得 的土压力分布与实测土压力分布进行了比较，结果表 明两种土压力分布形状能较好地吻合。 1 土与结构相互作用模拟 桥台和台后填土时，由于两种材料特性相差很远， 在一定受力条件下有可能在其接触面产生错动滑移或 开裂。为了更好地模拟实际情况，这时要设置接触面 单元。在一般的有限元程序 中，常用的接触面单元有 两节点单元、Goodman单元和薄层单元。在 AN SYS 中可以处理三种接触方式：面一面接触 、点 一面接触和 点 一点接触。根据本文桥 台试验的情况 ，选择面 一面 接触方式来模拟桥台背与土之间的接触。接触边界由 收稿 日期 ：2005—05—13 作者简介 ：付宏渊，男，博士研 究生，教授 目标面和接触面组成 ，这里选择台背为 目标面，土为柔 性接触面。面一面接触有以下优点：支持有大滑动和 摩擦的大变形，允许有自然的或网格离散引起的表面 连续；提供为工程目的所采用的更好的接触结果，如法 向应力和摩擦应力。目标面用 Targe170单元来模拟。 柔性接触面用 Contact172(3节点高阶抛物线单元)来 模拟。定义两面初始时为无间隙接触，输入切向和法 向劲度系数，然后通过相同的实常数将对应的接触单 元和目标单元定义为一个接触对，并假定接触面上存 在库仑摩擦，通过选择合理的参数可以实现台后填土 与台背之间粘结、滑移 、脱离再闭合的状态模拟。AN — SYS自动根据已输入的接触面和目标面的力学特性选 择合适的接触刚度，台背摩擦系数 M【，按公式M【，= tan 输入。其中 为台背外摩擦角。 2 桥 台分析模型的建立 为简化起见，将桥台土压力问题看作平面应变问 题来考虑，取出试验桥台剖面，台后填土的离散范围原 则上要达到对桥台压力基本不受影响的边界为止。按 经验，本文取约为桥台高的 3倍即20 nl。桥台自由划 分单元，采用平面六节点三角形单元PLAN E2，台后填 土按映射法划分单元，采用平面四节点矩形单元 PLAN E42。填土沿长度方向划分 3O个单元，沿竖向 划分 2O个单元，总计 600个单元。台后填土右侧限制 维普资讯 60 中 外 公 路 25卷 水平向位移，允许竖向位移。填土底部设置弹簧单元 COMBINATION14来模拟地基土在填土重力作用下 的沉降，但在填土底部单元限制水平向位移。同样在 桥台底部也设置弹簧单元 COMBINATION14来模拟 桥台在重力作用下的下沉。具体模型如图 1所示。 圈 1 桥 台土压力计算模型 3 参数的确定及边界条件的处理 3．1 台后填土底部弹簧单元刚度的选取 台后填土底部为经过正方形布置，按 1．2 m×1．2 m浆喷桩处理形成的浆喷桩复合地基，浆喷桩直径0．8 m。浆喷桩复合地基在台后填土的重力作用下会有一 定的沉降。地基沉降直接造成台后填土和桥台之间的 竖向相对位移，从而对台背土压力产生影响。为了模 拟这种沉降，在台后填土底部设置弹簧单元，弹簧单元 的刚度参考浆喷桩的现场荷载试验 P～S曲线取得。 浆喷桩和桩间土的现场荷载试验 P～S曲线见图2。 O P} lO 2O 图 2 浆喷桩与桩间土的 P～s关系曲线图 为了模拟台后填土引起的地基沉降，在20 m长的 台后填土底部共设置了 30根弹簧单元 ，每根弹簧单元 模拟的是宽 1 m、长 2／3 m 的一块矩形地基，由此可