桥梁常见桩基础形式的ANSYS仿真分析
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ＡＮＳ ＹＳ实 现 方 法 。
ｍ 法 的计 算 ， 也 可 以实 现 ｋ法 、 Ｃ值 法 、 张有 龄 法 或 者其 他地 基模 型 的模 拟 。 弹性 地基 梁法 的计算 核 心实质 上是 如何 确定 水 平地 基 系数 ， 其 难点 主要 体 现 在 地基 系数 随 深 度 变 化 的规 律研究 上 。 目前 ｍ 法应 用最 多 ， ｍ值 的确 定 主要 通过 现场 试验 实 测 或者 室 内土 工 试验 确 定 ， 或 按规 范推荐 的值 进行 设计 。
最终 都是 体现在 单桩 的内力 和变形上 。对 于单 桩可
以采用 ｂ ｅ ａ ｍ 系列单 元模 拟 。就 平 面分 析 法 的单 桩 而言 ， 最简 单 地 可采 用 ｂ ｅ ａ ｍ３ 、 单元 或 者 ｂ ｅ ａ ｍ５ ４单
曲线变形 较 小 时 ， 其 假 定 与 实 际也 比较 符 合 。桩 侧
土采 用 Ｅ ． ｗｉ ｎ ｋ ｌ ｅ ｒ假定 ， 通 过 求 解 挠 曲微 分 方 程 ， 再结 合力 的平衡 条 件 ， 求 出桩各 部 位的 内力和 位移 ，
该 方法也 称 为弹性 地 基 梁 法 ， 国内各 规 范 手 册 等 均
手算 方 法 多 采用 线 弹 性地 基 反 力法 ， 当基 桩 挠
整体 、 共 同承 受 动 静 荷 载 的一 种 深 基 础 ， 是 高 层 建
筑、 桥 梁 等重要 建筑 物 工 程 中被 广 泛 采用 的基 础 形 式 。桩基 础在 本 质 上 相 当 于 一 个 竖 立 的 弹性 地 基 梁， 只是地基 系 数 随深 度 变 化 。规 范 算 法不 仅 非 常
鹏
桥梁常见桩基础 形式的 ＡＮＳ ＹＳ仿真 分析
李 磊
（ 中 铁 第 五 勘察 设 计 院集 团有 限 公 司 ， 北京 １ ０ ２ ６ ０ ０ ）
摘
要： 桥 梁 桩 基 础 设 计 和 计算 通 常 按 相 关规 范 给 定 的 方 法 进 行 ， 规 范 算 法 不 仅 将 空 间 的 群 桩 基 础 完 全 简 化
桩基 础是 指通过 承 台把若 干根桩 的顶 部连接 成
法、 布 罗姆斯 法 和挠度 曲线法 ） 、 弹性地 基反 力法 （ 包 括 张 氏法 、 ｋ法 、 ｍ法 、 ｃ 法 和 幂级 数 通 解 法 、 非 线 弹 性 地基 反力法 ） 、 复 合 地 基反 力 法 （ 弹 塑性 区采 用 不 同分布 规律 ， 即 曲线法 ） 和 弹性理 论法 四大类 。
源自文库
成 了平 面 问题 ， 而 且 对 于很 多 计 算 中 的难 点 ， 规 范 还 采 用 了大 量 的 合 理 或 者 不 合 理 的 近 似 。在 与 规 范 方 法 假
定一 致 的条 件 下 或 在 规 范 的框 架 下 ， 如 何 利 用 有 限元 方 法 实 现 大 型 桩 基 础 的计 算 分 析 是 很 有 必 要 解 决 的 问 题 。通 过 一 个 典 型 的群 桩 算 例 ， 对 各 种 桩 基 础 形 式 进 行 了计 算 和理 论 分 析 。分 析 结 果 表 明 以 ＡＮＳ Ｙ Ｓ为 计 算 手段 的有 限元 仿 真 算 法 可 以使 桩 基 础 的计 算 更 加 快 捷 ， 结果更加合 理 ， 也 能 在 一 定 程 度 上 解 决 一 些 桩 基 础 的 计算难点 ， 具 有 一 定 的 理论 意 义 和工 程 实践 应 用 价 值 。
繁琐 ， 而且 对空 间群桩 效应 的计 算无法 直接 完成 ， 往 往转 化为平 面 问题 并进 行一 系列 的近 似或 者简化 。
结 构 的有 限元 理论 从 ２ Ｏ世 纪 ５ ０年代 主要应 用 于航 空工程 中飞 机结 构 的矩 阵分 析 发 展 至今 ， 应 用 领 域得 到 了广泛 的拓展 Ｌ １ ］ 。 日益完善 的有 限元 计算 理论对 计算 实现 方法 的要 求 越来 越 高 ， 如 何 实 现 复
不同 ， 产生 了不 同的计算 方法 ， 主要 有极 限地基 反 力
法（ 包括 恩格 尔一 物部法 、 雷斯 法 、 冈部法 、 斯奈 特科
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ － １ １ － ２ ６ 作者简介 ： 李 道工程设计工作 磊（ １ ９ ８ ５ 一） ， 男， 助理工程师， 主要 从 事 桥 梁 与 隧 ｌ ｉ ｌ ｅ ｉ ｈ ａ ｈ ａ ２ ０ ０ ２ ＠１ ６ ３ ． ｃ ｏ ｎ ｒ
关键词 ： 桩基 础 ； 有限元仿真分析 ； ＡＮＳ Ｙ Ｓ ； 弹性 地 基梁
ＤＯ１ ： １ ０ ． １ ３ ２ １ ９ ／ ｊ ． ｇ ｊ ｇ ｙ ａ ｔ ． ２ ０ １ ４ ． ０ １ ． ０１ ９
中 图分 类 号 ： Ｕ４ ４ ３ ． １ ５ 文献 标 识 码 ： Ａ
文章 编 号 ： １ ６ ７ ２ — ３ ９ ５ ３ （ ２ ０ １ ４ ） ０ １ — ０ ０ ７ １ — ０ ４
采用 该法 ， 我 国公路 、 铁路 在桩 基础 的设计 中常用 的
ｍ 法就 属此 种方 法 。ＡＮＳ ＹＳ可 以更 加方 便 的实 现
杂 结构 的有 限元仿 真分 析计算 是 一个 比较流 行 的课
题 。而先进 的大 型通用 有 限元 ＡＮＳ ＹＳ程 序分 析 系 统 为课 题 的顺利 开展 提供 了有力 的技术 保 障＿ ｚ ］ 。 有 限元 理论 的发展 与 ＡＮＳ Ｙ Ｓ实 现手 段相 辅 相 成， 让 计算 过程更 快 速 ， 计 算 结果 更 精 确 ， 可 以很 方 便 的避 免桩 基础设 计 中不必要 的转 化 和近似 。本 文 就 是 探 求 桩 基 础 各 种 常 见 形 式 的 有 限 元 仿 真 及
ｌ 弹 性 地 基 梁 法 与地 基 系数
横 向受 荷 桩 在计 算 时 ， 根 据对 地 基反 力 的 假设
２ Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ在 单 一土层 桩 基础 计 算 中的
应 用
单桩 在横 向荷 载作用 下 的受力 和变形 计算 是桥 梁桩基 础 计算 的基础 ， 凡是 计算 桩身 的 内力和 变形 ，
ｍ 法 的计 算 ， 也 可 以实 现 ｋ法 、 Ｃ值 法 、 张有 龄 法 或 者其 他地 基模 型 的模 拟 。 弹性 地基 梁法 的计算 核 心实质 上是 如何 确定 水 平地 基 系数 ， 其 难点 主要 体 现 在 地基 系数 随 深 度 变 化 的规 律研究 上 。 目前 ｍ 法应 用最 多 ， ｍ值 的确 定 主要 通过 现场 试验 实 测 或者 室 内土 工 试验 确 定 ， 或 按规 范推荐 的值 进行 设计 。
最终 都是 体现在 单桩 的内力 和变形上 。对 于单 桩可
以采用 ｂ ｅ ａ ｍ 系列单 元模 拟 。就 平 面分 析 法 的单 桩 而言 ， 最简 单 地 可采 用 ｂ ｅ ａ ｍ３ 、 单元 或 者 ｂ ｅ ａ ｍ５ ４单
曲线变形 较 小 时 ， 其 假 定 与 实 际也 比较 符 合 。桩 侧
土采 用 Ｅ ． ｗｉ ｎ ｋ ｌ ｅ ｒ假定 ， 通 过 求 解 挠 曲微 分 方 程 ， 再结 合力 的平衡 条 件 ， 求 出桩各 部 位的 内力和 位移 ，
该 方法也 称 为弹性 地 基 梁 法 ， 国内各 规 范 手 册 等 均
手算 方 法 多 采用 线 弹 性地 基 反 力法 ， 当基 桩 挠
整体 、 共 同承 受 动 静 荷 载 的一 种 深 基 础 ， 是 高 层 建
筑、 桥 梁 等重要 建筑 物 工 程 中被 广 泛 采用 的基 础 形 式 。桩基 础在 本 质 上 相 当 于 一 个 竖 立 的 弹性 地 基 梁， 只是地基 系 数 随深 度 变 化 。规 范 算 法不 仅 非 常
鹏
桥梁常见桩基础 形式的 ＡＮＳ ＹＳ仿真 分析
李 磊
（ 中 铁 第 五 勘察 设 计 院集 团有 限 公 司 ， 北京 １ ０ ２ ６ ０ ０ ）
摘
要： 桥 梁 桩 基 础 设 计 和 计算 通 常 按 相 关规 范 给 定 的 方 法 进 行 ， 规 范 算 法 不 仅 将 空 间 的 群 桩 基 础 完 全 简 化
桩基 础是 指通过 承 台把若 干根桩 的顶 部连接 成
法、 布 罗姆斯 法 和挠度 曲线法 ） 、 弹性地 基反 力法 （ 包 括 张 氏法 、 ｋ法 、 ｍ法 、 ｃ 法 和 幂级 数 通 解 法 、 非 线 弹 性 地基 反力法 ） 、 复 合 地 基反 力 法 （ 弹 塑性 区采 用 不 同分布 规律 ， 即 曲线法 ） 和 弹性理 论法 四大类 。
源自文库
成 了平 面 问题 ， 而 且 对 于很 多 计 算 中 的难 点 ， 规 范 还 采 用 了大 量 的 合 理 或 者 不 合 理 的 近 似 。在 与 规 范 方 法 假
定一 致 的条 件 下 或 在 规 范 的框 架 下 ， 如 何 利 用 有 限元 方 法 实 现 大 型 桩 基 础 的计 算 分 析 是 很 有 必 要 解 决 的 问 题 。通 过 一 个 典 型 的群 桩 算 例 ， 对 各 种 桩 基 础 形 式 进 行 了计 算 和理 论 分 析 。分 析 结 果 表 明 以 ＡＮＳ Ｙ Ｓ为 计 算 手段 的有 限元 仿 真 算 法 可 以使 桩 基 础 的计 算 更 加 快 捷 ， 结果更加合 理 ， 也 能 在 一 定 程 度 上 解 决 一 些 桩 基 础 的 计算难点 ， 具 有 一 定 的 理论 意 义 和工 程 实践 应 用 价 值 。
繁琐 ， 而且 对空 间群桩 效应 的计 算无法 直接 完成 ， 往 往转 化为平 面 问题 并进 行一 系列 的近 似或 者简化 。
结 构 的有 限元 理论 从 ２ Ｏ世 纪 ５ ０年代 主要应 用 于航 空工程 中飞 机结 构 的矩 阵分 析 发 展 至今 ， 应 用 领 域得 到 了广泛 的拓展 Ｌ １ ］ 。 日益完善 的有 限元 计算 理论对 计算 实现 方法 的要 求 越来 越 高 ， 如 何 实 现 复
不同 ， 产生 了不 同的计算 方法 ， 主要 有极 限地基 反 力
法（ 包括 恩格 尔一 物部法 、 雷斯 法 、 冈部法 、 斯奈 特科
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ － １ １ － ２ ６ 作者简介 ： 李 道工程设计工作 磊（ １ ９ ８ ５ 一） ， 男， 助理工程师， 主要 从 事 桥 梁 与 隧 ｌ ｉ ｌ ｅ ｉ ｈ ａ ｈ ａ ２ ０ ０ ２ ＠１ ６ ３ ． ｃ ｏ ｎ ｒ
关键词 ： 桩基 础 ； 有限元仿真分析 ； ＡＮＳ Ｙ Ｓ ； 弹性 地 基梁
ＤＯ１ ： １ ０ ． １ ３ ２ １ ９ ／ ｊ ． ｇ ｊ ｇ ｙ ａ ｔ ． ２ ０ １ ４ ． ０ １ ． ０１ ９
中 图分 类 号 ： Ｕ４ ４ ３ ． １ ５ 文献 标 识 码 ： Ａ
文章 编 号 ： １ ６ ７ ２ — ３ ９ ５ ３ （ ２ ０ １ ４ ） ０ １ — ０ ０ ７ １ — ０ ４
采用 该法 ， 我 国公路 、 铁路 在桩 基础 的设计 中常用 的
ｍ 法就 属此 种方 法 。ＡＮＳ ＹＳ可 以更 加方 便 的实 现
杂 结构 的有 限元仿 真分 析计算 是 一个 比较流 行 的课
题 。而先进 的大 型通用 有 限元 ＡＮＳ ＹＳ程 序分 析 系 统 为课 题 的顺利 开展 提供 了有力 的技术 保 障＿ ｚ ］ 。 有 限元 理论 的发展 与 ＡＮＳ Ｙ Ｓ实 现手 段相 辅 相 成， 让 计算 过程更 快 速 ， 计 算 结果 更 精 确 ， 可 以很 方 便 的避 免桩 基础设 计 中不必要 的转 化 和近似 。本 文 就 是 探 求 桩 基 础 各 种 常 见 形 式 的 有 限 元 仿 真 及
ｌ 弹 性 地 基 梁 法 与地 基 系数
横 向受 荷 桩 在计 算 时 ， 根 据对 地 基反 力 的 假设
２ Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ在 单 一土层 桩 基础 计 算 中的
应 用
单桩 在横 向荷 载作用 下 的受力 和变形 计算 是桥 梁桩基 础 计算 的基础 ， 凡是 计算 桩身 的 内力和 变形 ，