基于Workbench平台的排架桩承载力研究

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1、CMYK工程试验与研究基于Workbench平台的排架桩承载力研究封雷1杨迟2曾庆敦2（1广州越监工程质量安全检测中心有限公司；2华南理工大学）【摘要】在码头排架桩承载力测试方案的基础上，利用ANSYS软件的Workbench平台，建立桩土耦合模型进行有限元模拟，对岸坡框架码头排架桩的水平承载力进行计算分析，获得了与已有实验较为吻合的计算结果，验证了利用Workbench计算桩-土耦合码头排架桩承载力的可行性。【关键词】码头排架桩；桩土耦合；水平作用力；有限元方法；非线性高桩码头是我国港口中主要建筑物型式之一，在沿平荷载的码

2、头岸坡排架桩实体小模型。该试验模型全尺海和内河港口得到广泛应用。码头桩基与岸坡土体作为寸为4m×2m×2m，岸坡高1.50m，斜坡坡比为1:2.5，前整体模型的研究对于码头设计及其加固维修至关重要。后水平段为0.75m。试验模型土料为砂泥岩混合料，力由于土体非线性、接触非线性，故桩土耦合属于典型的学指标见表1。桩身采用外径89mm、壁厚3mm的钢管点[1]非线性问题，这给实际工程计算带来很大难度。码头焊刚接，钢管弹性模量为206GPa。4根主桩长2.40m，3在后方水平主动土压力下的承载力研究是其中一个重根钢管平行相对。依据

3、实验设计，后方平稳施加水平均要方面。根据现有的研究成果，码头桩的水平承载力分布荷载，均布荷载目标值为40kN。荷载施加过程：启动[2]析方法目前多为实验法和数值分析法。现今研究桩的动力设备，设定加荷速率为5kN/min；达到40kN后，继[3]水平承载力的有限元法中，梁丰收等对被动土压力作续保持该荷载30分钟。用下的岸坡桩-土耦合进行了三维数值模拟，但未考虑[4]排架桩的整体模型；廖雄华等对码头岸坡体系进行整体建模分析，但其采用耦合桩土节点位移来模拟桩土相互作用，并未考虑到桩土接触摩擦系数对承载力的影[5]响。文献采用实验法

4、，依托港工多功能基础试验系统，对岸坡排架桩进行水位变动对桩体变形影响的试验模拟，但未进一步探讨数值分析法研究岸坡排架桩承载力的可行性。本文利用有限元ANSYS软件中的Workbench平台，对受到后方水平力作用的码头岸坡排架（框架）桩图1码头岸坡排架桩试验布置图进行整体建模分析，同时考虑桩土相互接触面的摩擦影表1砂泥岩混合料参数值响，计算桩体承载力并与实验结果进行对比，研究结果参数密度(g/cm3)含水率(%)凝聚力(kPa)内摩擦角(°)可为高桩码头的设计、改造和维修提供依据。参数值1.717.4719.5131.311有

5、限元模型1.2质量及抗弯等效[5]本文利用大型通用软件ANSYSWorkbench平台的本文在文献提出的试验模型的基础上，利用AN-TransientStructural模块对该试验模型进行1:1模SYS软件中的Workbench平台，建立有限元三维实体模拟。实验中钢管桩壁厚为3mm，如果按照实际厚度建立型，模拟码头岸坡排架桩在受到后方水平主动土压力下三维实体单元模型，容易造成单元长宽比过大，使得模的受力情况。型不易收敛、计算结果失真。在文献[6]中，采用了钢管桩1.1码头岸坡排架桩试验方案壁翻倍加厚的做法，效果良好。本文则

6、采用实际模型的文献[5]为了研究码头岸坡排架桩受后方水平主动4倍壁厚，即12mm。通过质量等效和抗弯等效对钢管桩土压力下的承载能力，设计了如图1所示的后方均布水CMYK工程试验与研究的材料参数进行折减。与ContactSize，以保证Mesh单元的有效。在计算过钢管桩质量等效公式为：程中系统自动为各个结构选择合适的单元。ρπ[22]=ρ′π[22](式1)所建立的码头排架桩有限元三维实体模型如图2D-(D-h)D-(D-h′)44所示。式中：ρ为实际钢管密度，ρ′为模型钢管密度，D为钢管外径，h为实际钢管壁厚，h′为模型钢管

7、壁厚。3根据(1)式可求出：ρ′=2080kg/m。钢管桩抗弯等效公式为：Eπ[44]=E′π[44](式2)D-(D-2h)D-(D-2h′)6464式中：E为实际钢管弹性模量，E′为模型钢管弹性模量。根据(2)式可求出E′=70GPa。1.3土体计算模型本文采用Workbench平台自带的Drucker-Prager图2码头排架桩有限元三维实体模型（D-P）线性模型模拟土体，D-P模型目前广泛应用于土1.6加载方案[7,8]壤岩石的有限元模拟。在Workbench中该模型假设[5]根据文献中的试验模型的实际加载情况，设定

8、土体为理想弹塑性模型，主要参数有凝聚力与内摩擦Workbench中模型的加载过程与实验加载过程相同，即角。土体各详细参数见表2。后方土体前480s（8min）保持梯度加载直到40kN，之后表2Workbench中土体模型参数维持40kN至2280s（38min）。参数密度(g/cm3)弹性