筒型基础结构有限元分析 摘要：本文主要介绍通过有限元软件ABAQUS分析筒型基础结构模型。并结合某实际工程进行模拟，重点分析土压力沿筒壁的分布，以及筒型基础结构的失稳方法。结果表明，迎浪侧土压力接近于朗肯主动土压力。背浪侧土压力接近于朗肯被动土压力。在本工程情况下，结构稳定性安全系数为1.2。 关键词：ABAQUS；筒型基础结构；有限元 大圆筒结构是一种新型的结构型式，由于其具有结构形式简单、材料用量省、工程造价低、受力合理、适用于软土地基等优点，在淤泥质软土地基中的护岸、码头、防波堤等建筑中得到了广泛的应用。 筒形基础结构是在大圆筒结构基础上发展起来的新型结构，其下部是沉入式筒形基础，上部是空心圆筒。国内外已有很多研究筒型基础结构的先例。主要是采用模型试验，解析推导以及数值模拟的方法对结构进行分析。茅加峰，顾行文等[1]通过拟静力法分析了在水平力作用下，箱筒型基础的沉降、水平位移、倾斜和地基土体中孔隙水压力的反应；王元战，肖忠等[2]在有限元分析的基础上，建立了筒型基础防波堤基于重力式结构稳定性验算模式的稳定性简化分析方法；李伟[3]从箱筒型基础防波堤的结构形式、安装方式以及经济角度，枚举了箱筒型基础结构的优势，展现了其广阔的应用前景；文靖斐，徐少鲲等[4]研究了单层及多层土对箱筒型基础极限承载力的影响，并探讨了结构形式，结构尺寸以及土体参数对极限承载力的影响。随着有限元软件引入科研中的应用，越来越多的学者采用有限元方法对筒型基础结构做出分析。本文借助大型通用有限元软件ABAQUS，建立筒型基础结构与土相互作用的模型，分析该结构的工作形状。 1、工程概况 1.1结构型式 结构设计方案拟采用单个类椭圆截面的筒形基础和两个圆形截面的上部挡浪结构组合而成。筒型基础结构件的尺度为：下层椭圆形筒体的长轴30m，短轴20 m，高度9.0m，外墙壁厚40cm，隔板的壁厚30cm，顶板厚40cm；上层圆形筒壁厚35cm，筒高15.28 m。结构入土深度为9m。断面形式如下图所示： 图1 筒型基础结构断面图 1.2水文地质条件 水文地质数据由试验获得，波浪条件和主要土性参数如表1和表2所示： 表1 波高和周期 表2 主要土性参数 2、计算模型 2.1 整体模型的建立 建立有限元模型的原则是，首先要求能准确模拟结构的力学特性，其次要求模型简单、划分单元少、计算效率高。建立大圆筒模型时，其有效方法是，假设荷载作用方向垂直于墙轴线，结构沿墙轴线方向无限长，这是通常采用的设计假设。利用荷载和结构的对称性，在垂直于墙轴线方向取一个基础筒和前后一定范围的地基土体作为建立有限元模型的区域，在边界上施加对称边界条件。建立的计算模型如图2所示： 图2 ABAQUS建立大圆筒模型示意图 沿筒轴线方向，计算域的宽度为基础筒短轴的1.1倍；沿荷载作用方向，计算域的长度为基础筒长轴的7倍，以消除两端边界约束的影响。沿竖向方向，计算域的深度取4倍的圆筒沉入深度，以消除底端边界约束的影响。 2.2 结构与土体模拟 筒体一般由钢筋混凝土材料或钢材制成，筒体结构的强度和刚度远远大于土体的强度和刚度，结构系统的位移和失稳破坏主要取决于地基土的变形和承载能力，土体模型的建立采用D-P本构。三维问题中的D-P模型中的参数可以通过M-C模型中的内摩擦角值和粘聚力值转化而来。筒型基础结构与土体均采用三维减缩积分单元。建立土体模型的时候，将上覆土体重量产生的压力作为垂直应力，然后通过侧压力系数K0建立水平应力与垂直应力之间的关系。 2.3 接触面模拟 为合理模拟土体与筒基式大圆筒结构的相互作用，在土体与筒壁的接触区域设置主从接触点对，以模拟筒体与土体间的粘结、滑移、脱离和闭合等现象。由于筒体结构的弹性模量远远大于土体的弹性模量，指定圆筒上的接触面为主接触面。土体上的接触面为从接触面。考虑到筒基式大圆筒结构的特点，接触单元的切向可采用库伦摩擦本构模型，法向可采用硬接触方式。另外，根据美国API规定，软粘土与筒壁之间的切向摩擦力不大于粘土不排水剪切强度。 3、结果分析 3.1 土压力沿筒壁高度的分布 基础筒外壁的土压力是维持筒型基础结构稳定性的主要荷载。取结构迎浪侧和背浪侧的土压力沿筒壁的分布如图3图4所示： 图3 迎浪侧竖向土压力分布 图4 背浪侧竖向土压力分布 从图中可以看出，迎浪侧土压力接近于朗肯主动土压力，随着波浪力的增大，土压力数值逐渐变小。背浪侧土压力随着波浪力增大逐渐变大，其值接近于朗肯被动土压力。这是由于筒型基础在波浪力作用下，发生倾覆失稳。随着波浪力的增大，迎浪侧部分脱离土体，背浪侧挤压土体，导致土压力发生变化。 3.2 承载力位移曲线 稳定性是筒型基础结构研究的重点。判别结构是否发生倾覆失稳有3个准则。承载力-位移曲线如图5所示： 图5 承载力-位移曲线 判别准则如图中所示，当P-Y图出现明显拐点，或超出变位限制时。结构发生倾覆失稳。 4、结论 本文介绍了通过有限元软件ABAQUS建立筒型基础结构的过程，并结合某实际工程建立模型进行模拟。分析了作用于筒壁的土压力随着波浪力的变化以及判定结构失稳的方法。结果表明，迎浪侧土压力随着波浪力的增大而变小，背浪侧土压力随着波浪力的增大而变大。判定结构失稳的方法有三种，分别是P-Y出现明显拐点或变化曲率为零，以及超出变位限制时，结构发生失稳。 参考文献： [01]茅加峰，顾行文，徐光明，谢善文，吴进. 波浪荷载对箱筒型基础防波堤作用的拟静力模拟研究[J]. 中国港湾建设，2010，169：105-109. [02]王元战，肖忠，迟丽华，谢善文，李元音. 筒型基础防波堤稳定性简化计算方法[J]. 岩土力学，2009，30（5）：1367-1372. [03]李伟. 插入式箱筒型基础防波堤结构的研究及应用[J]. 创新技术，2011，2：30-32. [04]文靖斐，徐少鲲，别社安. 箱筒型基础承载力研究[J]. 水运工程，2011，6：136-142. 本文来源：https://www.wddqw.com/doc/af8c2c62cb50ad02de80d4d8d15abe23482f0304.html