案例58-吸力桩分析

这个示例问题模拟了土壤环境和钢吸力桩结构之间的相互作用。土壤的非线性塑性行为使用莫尔-库仑材料进行建模。该问题考察了缺陷对结构响应的影响。

重点介绍了以下特性和功能：

• 通用固体单元技术

• 莫尔-库仑，地质力学中使用的几种材料模型之一

• 初始应力状态

• 屈曲分析（用于产生结构缺陷）

• 非线性静态分析

介绍

吸力桩（也称为吸力沉箱或吸力锚）是连接到桩顶或桩帽的钢管。盖子包括：

• 用于控制压力的阀门（用于嵌入桩的负压或用于移除桩的正压）

• 取决于桩的预期用途的各种连接

在操作过程中，吸力桩与周围土壤相互作用。

使用吸力桩的工程结构通常在必须考虑土壤-结构相互作用的环境中运行，以真实地描述结构行为。使用标称几何形状，特别是在薄壁管壁的情况下，可能会导致高估结构承载能力。

引入缺陷的有效方法包括进行预应力屈曲分析，并根据结果生成更新的几何图形。然后，可以在随后的非线性静态分析中使用调整后的几何结构，以获得更真实的结构行为模拟。

问题描述

吸力桩周围和部分填充有粘性低的砂状土壤。

载荷条件包括内外吸力桩表面上的主动和被动径向土压力。

使用特定的加载历史进行具有标称几何结构的非线性静态分析。最初，应用原位应力状态，考虑土壤的重力加速度、土壤深度和泊松比。吸力桩进一步承受负压、吸力桩与打桩结构相互作用产生的界面力以及桩裙与土壤之间的附加摩擦力。

几何缺陷由第一屈曲模态和规定的比例因子产生。

在更新几何结构以考虑缺陷后，进行后续的非线性静态分析。与早期的标称几何静态分析结果相比，应力状态和变形结果明显不同。

建模

吸力桩模型使用SHELL281二次壳单元。

内部和外部土壤模型使用SOLID186二次实体单元。

通过CONTA174/TARGE170接触对，在外部土壤和吸力桩裙部之间以及内部土壤和吸力桩桩裙部之间定义了非线性摩擦接触区域。

吸力桩裙板的恒定壳厚定义为ts=20 mm，吸力桩顶部的有效壳厚为tT=180mm。

材料属性

土壤材料采用具有弱膨胀效应的理想塑性Mohr-Coulomb材料进行建模：

使用弹塑性双线性运动硬化模型对结构钢材料进行建模。

分析流程

吸力桩分析包括三个顺序分析：

第一部分：标称几何非线性静态分析

进行了具有标称几何结构的非线性静态分析。该分析说明了特定的载荷历史，以获得适用于后续屈曲分析的荷载和应力状态。

边界条件

土壤和吸力桩裙部的底部节点在垂直方向上固定。

垂直方向上的位移限制在地下模型的所有四边。

水平方向的位移限制在吸力桩的顶部外圈上。

加载

加载分四步进行：

载荷步1：土壤重力加速度+初始应力状态

通过向土壤施加g=9.81m/s2的重力加速度，产生初始原位土压力。

原位应力状态计算导致不期望的垂直变形。为了缓解这个问题，施加了初始应力状态，从而使重力载荷步的初始状态几乎无变形。

通常，土壤处于已固结状态。因此，静止荷载引起的初始位移是不自然的，应尽量减少。垂直应力状态SZ根据土壤深度线性变化。Sz通过土壤密度ρ、重力加速度g和每个单元的垂直高度h确定：

侧向土压力系数定义为水平应力分量与垂直应力分量之比。对于弹性载荷条件下水平保持的非超固结土，该系数通过泊松比确定。

水平应力分量由以下公式确定：

已知应力状态作为初始状态（INISTATE）应用。

以下是最终的垂直压力分布：

正确应用初始静止压力状态，同时土壤结构保持其初始形状。

由于土壤区域内部和/或外部的不平衡土壤压力和接触渗透，边缘位移（<0.5 mm）是可接受的：

载荷步2：吸力桩上的重力加速度

吸力桩的重力加速度为9.81 m/s2

载荷步3：吸力桩顶部的相互作用力（上部结构）

与上部结构相互作用产生的力作用于吸力桩顶部。

力/力矩通过接触对（CONTA174/TARGE170）分布在桩顶，并启用导向节点选项

载荷步4：吸入压力和辅助摩擦力

吸力施加在吸力桩裙部和盖子上。假设吸力桩裙板上的压力恒定。

假设摩擦力施加在吸力桩裙板上，裙板与土壤相互作用。

分析和求解控制

进行非线性静态分析。原位应力状态（加载步1在单个子步中计算。

加载步2至4在启用自动时间步长的情况下计算。

结果和讨论

初始应力状态结果记录在加载中。以下是加载步4后的结果

吸力桩上的载荷导致土壤中的塑性应变。由于加载步3（和加载步4中的不对称加载，塑性应变分布不对称。

吸力桩上的应变导致吸力桩帽颈部的塑性应变：

第二部分：具有标称几何的线性屈曲分析

在进行了具有标称几何结构的非线性静态分析之后，进行了具有额定几何结构的线性屈曲分析，以获得与静态荷载相关的潜在稳定模式。结果用作定义缺陷的基础。

边界条件

使用了先前静态分析的边界条件。

加载

来自先前静态分析中的加载步4的最终加载状态被用作参考加载。

分析和求解控制

进行线性屈曲分析。计算并扩展了十个本征模态。

等效应力和等效总应变图的解1和解2的比较表明，结果符合：

结果和讨论

屈曲分析期间计算了十个本征模态。得出的载荷系数范围为0.61086至1.1468。

比例因子为0.135的第一屈曲模态用于产生结构缺陷：

第三部分：修改几何的非线性静力分析

使用屈曲分析中更新的几何结构进行第二次非线性静态分析。为了观察增加的结构缺陷的影响，分析使用了与第一次静态分析相同的载荷。

边界条件

使用第一次静态分析的边界条件。

加载

加载与第一次静态分析相同。然而，在分析开始时，几何结构被更新（UPGEOM）以说明缺陷（根据屈曲分析结果定义）。

分析和求解控制

进行非线性静态分析，类似于第一次，但使用更新的几何结构。

结果和讨论

以下是加载步4后的结果。

与使用标称几何结构的静态分析结果相比，使用具有缺陷的最新几何结构的分析表明，吸力桩裙板上的位移和变形更大，导致塑性应变更高：

无缺陷的吸力桩几何结构导致吸力桩帽颈部的最大塑性应变。在包括缺陷后，相同的载荷导致临界区域从吸力桩颈部移动到裙部：

考虑潜在的结构缺陷会导致定性和定量的不同结果。

建议

执行自己的吸力桩分析时，考虑以下事项：

&bull; 对于三维土壤分析，使用SOLID186二次砖单元和SHELL281二次壳单元。

&bull; 为确保应力状态和外部载荷的一致性，在单个子步中应用初始状态（INISTATE）。

&bull; 对于线性屈曲分析，选择合适的模态形状，并将其与适当的比例因子相结合。

参考文献

Eurocode 7: Geotechnical Design - Part 1: General Rules, 2014. DIN EN 1997-1:2014-3 (E).

Lazebnik, G. E. & Tsinker, G. P. (1998). Lateral earth pressure at rest. 165-183. Monitoring of Soil-Structure Interaction: Instruments for Measuring Soil Pressures. New York: Springer.