1、桩基础算例桩基础由基桩和连接于桩顶的承台共同组成。若桩身全部埋于土中，承台底面与土体接触，则称为低承台桩基；若桩身上部露出地面而承台底位于地面以上，则称为高承台桩基。建筑桩基通常为低承台桩基础。高层建筑中，桩基础应用广泛。一般工程结构都是由地基、基础和上部结构组成。上部结构可以是桥梁或房屋建筑物等，基础起着将上部结构荷载传入地基和将地震荷载传给上部结构的连接作用。算例:桥梁桩基础的静力分析问题问题描述：承台全桩基础断面尺寸为 8.5m*8.5m，如图 1 所示。其中，承台厚 3m，全桩长 32m，采用 4 根直径为 2m 的钻孔灌注桩，桩基础混凝土全部采用 C30 混凝土，弹性模量 ，泊松比
2、=0.2，质量密度为MPaE1032500kg/m，地基土的水平抗力系数的比例系数 m=25000kN,Q=3000kN 和M=6000kNm。QNM地面线或局部冲刷线3002003000图 2解题思路：1.计算桩柱的等效集中弹簧刚度 Ki按照规范，地基土堆桩柱侧面的地基系数随深度 y 成正比例增长，即C=my（m 是“m”法的地基系数），故可先从覆盖层顶面（冲刷线）向下绘出地基系数图，如图 2 所示。本例将桩柱全长等分为 15 段，各中间集中弹簧的刚度可按下式计算： iimzbK1顶部集中弹簧的刚度为： 0式中： 桩的计算宽度；1b比例系数，本例中取 ；m4/1mkN节段长度；自地面至第 i
3、 集中弹簧的距离；iz3000地面线或局部冲刷线 4/10mkN0 集中弹簧在其一侧 长度内的地基系数分布图面积。0# 2/各集中弹簧刚度值如表 1 所示。表 1 各集中弹簧刚度值集中弹簧 mzi/4/kNmb/1/4/mkNKi0 0 10000 4.428 2 221401 2 10000 4.428 2 1771202 4 10000 4.428 2 3542403 6 10000 4.428 2 5313604 8 10000 4.428 2 7084805 10 10000 4.428 2 8856006 12 10000 4.428 2 10627207 14 10000 4.42
4、8 2 12398408 16 10000 4.428 2 14169609 18 10000 4.428 2 159408010 20 10000 4.428 2 177120011 22 10000 4.428 2 194832012 24 10000 4.428 2 212544013 26 10000 4.428 2 230256014 28 10000 4.428 2 24796802.建立有限元模型本例各桩净长 32m，冲刷线以上的桩段长 2m，为便于计算，所有桩的单元长度均取 2m，采用 Beam189 单元分别模拟承台和基桩，而承台与各桩桩顶用刚臂（Mpc184 单元）连接，并
5、用 Combin14 单元模拟桩身与土的相互作用。桩基础算例 tm1412FINISH $/CLEAR $/PREP7LOCAL,11,-90 !*定义局部坐标系建立编号 11的局部坐标系，原点与坐标原点一致，绕 y轴反方向旋转 90度。ET,1,BEAM189 $ET,2,MPC184 $KEYOPT,2,1,1建立 beam189单元 1和 mpc184单元 2，2 表示单元类型编号，1 表示KEYOPT（1），1 表示 7个自由度，考虑翘曲，输出双力矩和双曲率。ET,3,COMBIN14 $R,1000 $R,2000 $R,3000,22140使用 COMBIN14弹簧单元，实常数分别
6、为 1000,2000,3000，集中弹性刚度22140。SECTYPE,1,BEAM,RECT $SECDATA,8.5,8.5 !*定义承台截面定义承台截面类型，即 1号矩形截面宽 8.5，高 8.5。SECTYPE,2,BEAM,CSOLID $SECDATA,1,16,4 !*定义基桩截面定义基础截面类型，即 2号实心圆柱截面，数据尺寸：1,16,4。MP,DENS,1,2500 $MP,EX,1,3E7 $MP,PRXY,1,0.2 !*定义材料属性定义材料属性，材料密度 2500，弹性模量 13*107，泊松比 0.2。K,1 $K,2,0,0,3 $K,3,-2.5,2.5,0
7、$L,1,2 !*创建关键点及线创建关键点及线：点 1（0,0,0）点 2（0,0,3）点 3（-2.5,2.5,0），通过点 1和点 2创建线。LATT,1,1000,1,1 $LESIZE,ALL,3 $LMESH,ALL !*网格划分进行网格划分，材料 1号，实常数 1000，将所有的网格划分为 3段，再对所有线划分。KGEN,2,3,-32 $L,3,4kgen是指复制关键点，2 表示复制一遍（加上本来有的，复制完了是 2组关键点），3 为关键点，-32 指沿 z轴方向移动的距离，即将点 3沿 z轴方向移动-32进行复制。并通过点 3和点 4连接直线。 LSEL,S,LENGTH,32
8、 $LATT,1,1000,1,2 $LESIZE,ALL,16 $LMESH,ALL选择所有线长小于 32的线段，设置线性材料为 1号，实常数为 1000，单元类型 1号，截面是 2号。进行网格划分，划分为 16段，对所有线进行划分。LSEL,S,LENGTH,32,1 $LSYMM,Y,ALL $LSYMM,X,ALL选择所有线长小于 32的线段，沿 y轴镜像，沿 x轴镜像。KSEL,S,LOC,Z,0 $KPLOT选择所有 z轴坐标为 0的有效点，并显示点。L,1,3 $L,1,5 $L,1,7 $L,1,9 !*创建承台与基桩的固结连接1与 3之间建立连接线，1 与 5之间建立连接线，
9、1 与 7之间建立连接线，1 与9之间建立连接线。 LSEL,S,LOC,Z,0 $LATT,2000,2 $ESIZE,1 $LMESH,ALL选择所有 z轴为 0的线段，定义实常数 2000，单元类型 2号，划分为一段并产生所有的线单元。NSEL,S,LOC,Z,-32 $D,ALL,ALL !*施加桩底固结!*施加桩侧弹簧选择所有 z坐标是-32 的点，并施加约束力。 *DO,I,1,15 $NSEL,S,LOC,Z,-2*I $NGEN,2,1000,ALL,0.5 $*ENDDOi从 1至 15循环，选择所有 z轴坐标为-2 的节点，对所有节点进行复制，复制2次，每次复制节点时节点号
10、码的增加量是 1000，间距比是 0.5.*DO,I,1,15 $NSEL,S,LOC,Z,-2*I $NSEL,U,LOC,X,-2 $NSEL,U,LOC,X,3i从 1至 15循环，选择所有 z轴坐标为-2 的节点，选择消除所有 x轴坐标为-2的节点，选择消除所有 x轴坐标为 3的节点。NGEN,2,2000,ALL,-0.5 $*ENDDO !*创建桩侧弹簧节点所有节点进行复制，复制 2次，每次复制节点时节点号码的增加量是 1000，间距比是-0.5.。TYPE,3 $REAL,3000定义线单元类型 3，实常数 3000。E,11,1011 $E,11,2011 $E,44,1044
11、 $E,44,2044通过节点来建立单元，即 11和 1011形成单元，11 和 2011形成单元，44 和1044形成单元，44 和 2044形成单元。E,77,1077 $E,77,2077 $E,110,1110 $E,110,2110通过节点来形成单元，即 77和 1077形成单元，77 和 2077形成单元，110 和1110形成单元，110 和 2110形成单元。*DO,I,1,14 $R,I,I*177120 $*ENDDO定义参数 i，1 到 14循环，定义实常数 i，i*177120，结束循环。*DO,I,1,14 $TYPE,3 $REAL,I $E,I*2+11,I*2+
12、1011 $*ENDDO定义参数 i，1 到 14循环，定义单元类型 3，实常数 i，通过节点I*2+11,I*2+1011 生成单元，结束循环。*DO,I,1,14 $TYPE,3 $REAL,I $E,I*2+11,I*2+2011 $*ENDDO定义参数 i，1 到 14循环，定义单元类型 3，实常数 i，通过节点I*2+11,I*2+2011 生成单元，结束循环。*DO,I,1,14 $TYPE,3 $REAL,I $E,I*2+44,I*2+1044 $*ENDDO定义参数 i，1 到 14循环，定义单元类型 3，实常数 i，通过节点I*2+44,I*2+1044 生成单元，结束循环
13、。*DO,I,1,14 $TYPE,3 $REAL,I $E,I*2+44,I*2+2044 $*ENDDO定义参数 i，1 到 14循环，定义单元类型 3，实常数 i，通过节点I*2+44,I*2+2044 生成单元，结束循环。*DO,I,1,14 $TYPE,3 $REAL,I $E,I*2+77,I*2+1077 $*ENDDO定义参数 i，1 到 14循环，定义单元类型 3，实常数 i，通过节点I*2+77,I*2+1077 生成单元，结束循环。*DO,I,1,14 $TYPE,3 $REAL,I $E,I*2+77,I*2+2077 $*ENDDO定义参数 i，1 到 14循环，定义
14、单元类型 3，实常数 i，通过节点I*2+77,I*2+2077 生成单元，结束循环。*DO,I,1,14 $TYPE,3 $REAL,I $E,I*2+110,I*2+1110$*ENDDO定义参数 i，1 到 14循环，定义单元类型 3，实常数 i，通过节点I*2+110,I*2+1110 生成单元，结束循环。*DO,I,1,14 $TYPE,3 $REAL,I $E,I*2+110,I*2+2110$*ENDDO定义参数 i，1 到 14循环，定义单元类型 3，实常数 i，通过节点I*2+110,I*2+2110 生成单元，结束循环。NSEL,S,LOC,X,-2 $NSEL,A,LOC
15、,X,3 $D,ALL,ALL选择所有 x轴坐标为-2 和 3的节点，并施加约束力。NSEL,S,LOC,Y,2 $NSEL,A,LOC,Y,-3 $D,ALL,ALL !*施加集中荷载和自重选择所有 x轴坐标为 2和-3 的节点，并施加约束力。NSEL,S,LOC,Z,3 $NROTAT,ALL !*旋转节点坐标系选择所有 z轴坐标为 3的节点，将节点坐标系旋转到与当前坐标系方向一致。F,ALL,FX,3000 $F,ALL,FZ,-25000 $F,ALL,MY,6000对所有节点施加沿 x轴方向上的 3000集中力，对所有节点施加沿 z轴方向上的-25000集中力，对所有节点施加沿 y轴
16、方向上的 6000集中力。ACEL,0,9.8E-3,0 $ALLSEL$/ESHAPE,1$EPLOT !*求解并查看结果施加在 y轴指向正方向的 9.8*10-3重力加速度，并显示所有的单元形状。/SOLU $SOLVE $/POST1 $PLDISP,1进入求解器进行求解，再进行结果后处理，同时显示变形前及变形后的的结构形状PLNSOL,U,X,2 !*查看桩基础水平位移显示节点 x 方向的水平位移变化情况。ETABLE,IMOM,SMISC,3$ETABLE,JMOM,SMISC,16定义单元值的表，i 节点单元表名称为 imom和 j节点单元表名称为 jmom。PLLS,IMOM,J
17、MOM !*查看弯矩显示单元表 imom和 jmom结果 总结：工程结构一般由地基、基础和上部结构组成，其中基础起着将上部结构荷载传入地基和将地震荷载传给上部结构的连接作用。在基础的构造形式中，桩基础是目前主要的一种基础形式，其快捷的施工、高强度得承载力和稳定性、低廉的造价以及能够适应多种地质条件使得桩基础更加广泛应用在复合地基的处理当中。它由基桩和连接于桩顶的承台共同组成。桩基础的沉降量和承载力是桩基础的核心问题，本节“桩基础算例”主要研究的就是桩基顶部抗弯和抗剪的力学性能。运用 ANSYS 软件对桩基础进行分析的过程，大致经过了单元材料定义属性、建模、网格划分、边界条件约束、加载荷载、后处理分析、结果整理等步骤。在前处理器中，定义单元、材料、实常数等参数，建立模型，划分网格。材料分为线性和非线性两种，主要定义的是弹性模量、泊松比、剪切角、磨擦角、粘聚力和密度等。另外，网格划分的成功与否关系到加载求解的成败，在进行网格划分时，要根据不同的单元类型选择合适的不同的网格划分形式。加载主要是对模型进行边界条件自由度约束，即向模型施加桥墩传下来作用于承台上的力（N=25000kN，Q=3000kN，M=6000kNm）。而后处理将将分析结果可视化，可以查看静态分析、模态分析、屈曲分析等，能够显示出云图、变形图和结果列表的绘制，具有很强的实践性和实际意义。
