用ANSYS软件分析桩土相互作用.pdf

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1、126第十三届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集用ANSYS软件分析桩土相互作用陈建民,肖花(中国石油大学石油工程学院,山东东营257061)摘要:用ANSYS程序对导管架平台的桩与土之间的相互作用进行了研究。结果表明,在平台载荷作用下,桩上的最大应力点出现在距海底一定深度的范围内,土中的最大应力也出现在离海底一定距离的土层中,而不是在海底处。桩周土层中应力分布显著不对称,一侧的土层受力大,另一侧土层的受力小。随着深度的增加,桩身水平方向位移呈衰减波的形式变化。衰减波的衰减速度很快,波峰的绝对值在第二个峰处就已减小到0.0

2、01m。关键词:桩土相互作用,ANSYS,有限元模型,应力分布,衰减波1引言桩基导管架平台是目前我国海上石油开发和生产的最常用型式。它由上部甲板、下部导管架和打入海底的桩基组成。平台受到的所有载荷最终都由打入土中的桩承担,桩的承载能力是平台能否安全服役的关键因素之一,研究桩土相互作用可以确定桩的承载能力。关于桩土相互作用的研究始于上世纪三、四十年代,但近一、二十年来由于海洋石油勘探开发的迅猛发展引起对桩基研究的普遍关注。主要的研究方法有模型试验、现场观测和理论分析。从现有的理论分析[1]来看,绝大多数都建立在土的线弹性明德

3、林方程或文克尔地基之上,没有反映土的非线性本构关系。目前用有限元法研究桩土相互作用机理是较有效的方法,有限单元法能较好地模拟桩土的三维应力状[2]态,较真实地反应实际应力状态,其特点是能把各点的应力、应变和位移大小求出,便于进一步分析。本文采用大型有限元分析软件ANSYS建立桩土本构模型,通过分析得出了桩土的应力分布情况以及桩身水平方向位移随深度变化的规律。2桩土相互作用理论2.1桩轴线的挠曲方程一般可将桩视为弹性梁,根据梁挠曲变形理论,写出桩的挠曲微分方程:4dyEI=p4dx(1)式中E为桩的弹性模量;I为桩截面惯性矩

4、;p为沿桩长分布的土反力。受侧向荷载桩挠曲微分方程的求解是以Winkler的假定为基础的。按此假定,作用于桩上某一点的土反力p可写成如下形式:p=-EyS(2)式中,E为土反力模量,负号表示p的作用方向与桩的位移方向相反,将式(2)代入式(1)得S4dyEI+Ey=0(3)4Sdx大量的实际资料表明,土反力模量E随着深度和桩的挠度变化而变化。即土反力p和桩挠度y之间S不成线性关系。通常将E表示为:SnEk=+()xxS0(4)式中x为一待定常量。于是式(3)可写成:04dynEI++kx()0xy=(5)40dx取参数变换

5、:x+xdx0z=;dz=(6)TT第十三届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集127将式(6)代入式(5)可得44n+4EIdynndykTn+kTzy=0;+zy=0(7)444TdzdzEIT定义为:EIT=n+1k(8)参数T称为相对刚度,它的物理意义反映了桩的刚性特征(EI)同土的压缩特性之间的相对关系。同时由于T的具体表达形式是根据E的函数式(4)而选定的,所以它有间接地反映土反力模量E随深度SS变化的特征。2.2土反力模量随深度变化的假定大量实验资料表明,土反力模量E不是常量,是随深度增加而增大的,其表达式可写

6、成SnEk=+()xx,式中的n需根据具体土壤特性和桩的不同沉放方法等因素而定。人们认识到桩的挠S0度随深度增加而急剧减小,因此对桩的计算影响最大的是上部土层的土反力模量值。所以从工程角度出发[3]取x=0、n=1,即土反力模量随深度呈线性变化Ek=x。0S2.3、刚性桩、弹性桩、弹性长桩的不同变位性质对于大多数正常固结黏土及砂性土,根据上述设土反力模量E随深度成线性增长,在此取SEk==xmBx,则相对刚度为:S0EIT=5mB0(9)式中:B为桩的计算宽度;m为土反力模量随深度变化的比例系数。0刚性桩、弹性桩、弹性长桩

7、的判断标准,与桩打入土中的深度h有关。桩打入土中的深度h同相对刚度T的比值Z称为相对桩长,Z可用于判断一桩为刚性桩、弹性桩或弹性长桩的判据。实验和分析maxmax都表明,当Z>4时,继续增加桩长也不能增加桩的水平承载能力。所以实际上都将这种桩视作无限长max[3]桩来考虑,海洋桩基平台多属这种类型的桩。3桩土相互作用模型建立3.1基本数据本文以某平台桩基参数为基本数据进行计算。该钢管桩的长度为133.076m,设计入土深度95.43m。[4]桩的材料选用Q345钢,屈服强度σ=345MPa,根据APIRPWSD推荐,打桩动

8、应力不应超过屈服强s度σ的90%,所以桩身最大应力f不能超过许用应力F,F=0.9×σ=0.9345=310MPa×。弹性模量saaas53E=×2.110MPa,泊松比µ=0.3,密度ρ=7800kg/m。采用直角坐标系,坐标系原点设在海底处桩的中心位置上,向上为Z正方向。土层厚度为100.58m,共

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