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新型预制螺旋桩型参数对桩体受力影响的数值分析
发表时间:2007-2-26 东北大学资源与土木工程学院 梁力 贾志杰 董天文   来源:e-works
关键字:螺旋桩 基础工程 混凝土结构 有限元法 ansys 
新型预制螺旋桩可以有效解决严寒地区打桩和冬季现浇混凝土施工造价高、能源浪费大、噪音污染大、基础安全性难于保证等问题;由于试验造价昂贵,必须寻求一种可行的方法来解决设计问题;本文利用ANSYS计算机辅助工程软件,对其力学性能进行了三维数值仿真分析,并对桩体的参数进行了优化设计,为其工程应用提供了设计依据。

    根据计算机建模可知,上倾角不能超过70°,工况Ⅱb和工况Ⅱd的主拉应力相等且为四种工况中最小,虽然工况Ⅱa的最大剪应力值为四种工况中最小值,但其主拉应力比Ⅱb和Ⅱd的要大, 工况Ⅱd的最大剪应力比工况Ⅱb的稍小一点。从图4.1可以看出,工况Ⅲd的最大主应力超出混凝土抗拉设计强度的范围比工况Ⅲc的要少。但从数值上来看,四种工况的三种最大应力变化幅度不大,所以,上倾角的变化对桩体应力状态的影响不是很大。

    (2) 在其它参数均不变的情况下,改变叶片的下倾角β1,考虑表4.4所示的四种工况。

     

    桩型参数见表4.5所示,计算结果见表4.6、图4.2所示。

    由图4.2、表4.6可以看出,在工况Ⅳc时,桩体混凝土的最大主拉应力为4.1MPa,其余各工况的主拉应力均大于该工况的主拉应力,四种工况的应力分布状态很相似,超过混凝土设计抗拉强度的范围也很接近,所以从最大主拉应力值上来考虑,第三种工况Ⅳc略占优势,该工况下混凝土的最大主拉应力比其它四种工况时分别降低28.1%、22.9%、20%。

5 结 论

    根据数值模拟结果,桩型参数的影响主要有以下几个方面:

    (1) 增大螺距有助于减小混凝土桩体所承受的拉应力,但是应结合施工方便的因素来确定合理的螺距。

    (2) 叶片宽度增大使得所需要的竖向力和扭矩值增大,桩体应力增大,影响范围扩伸;在设计时除了应该考虑到增大叶片宽度有助于提高承载力的作用外,还应该考虑增大叶片宽度对施工造成的不利影响。

    (3) 叶片上倾角和下倾角的变化对桩体应力状态的影响不大,故而应根据方便施工拧进方面来优化叶片的上下倾角。

    (4) 根据各参数对桩体受力分析的结果对比,综合考虑施工和承载两个阶段的因素,最终参数设计时可以采用:螺距为1.0倍桩外径,叶片宽度为60mm,上倾角为60°,下倾角为75°。

[参考文献]

    [1] 高强度预应力钢筋混凝土螺旋预制桩,中冶集团沈阳勘察研究总院技术开发室,2004

    [2] 孙鸣.钢筋混凝土螺旋桩可行性分析[J],天津城市建设学院学报,2001,7(3):187-190

    [3] Yahia E-A,Mohamedzein,Muzamil G. Mohamed,Ahmed M. El Sharief. Finite element analysis of short piles in expansive soils[J], Computers and Geotechnics,1999:24 :231-243

    [4] M.F.Bransby,S.M.Springman. 3-D Finite Element Modelling of Pile Groups Adjacent to Surcharge Loads[J],Computers and Geotechnics,1996,19(4):301-324

    [5] 张波、盛和大. ANSYS有限元数值分析原理与工程应用[M],北京:清华大学出版社,2005.9

    [6] 张靖宇.对桩土相互作用及单桩竖向承载力的研究[D],西安:西安建筑科技大学,2001

    [7] 江见鲸.钢筋混凝土结构非线性有限元分析[M],西安:陕西科学技术出版社,1998

    [8] ANSYS Release 8.0 Documentation,Structural Analysis Guide

    [9] ANSYS Inc, APDL Programmer‘s Guide, SAS IP, 2003

     

     

     

     

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