利用ANSYS有限元软件，建立承台桩土三维模型，通过在桩土接触面设置非线性接触单元，模拟桩土侧摩阻力，以及用solid45单元建立桩、土、承台模型，同时在模型施加竖向荷载和地震波，模拟地震作用下承台――混凝土桩――土的受力特性，对了解桩土承台共同作用有积极意义。
关键词：混凝土灌注桩；地震；有限元分析
1 引言
桩基础使用历史久远，早在新石器时代，人们就使用木桩在湖泊沼泽修筑房屋。有关桩基础的理论研究也有近百年的时间，而随着城市发展，城市用地日益紧缺，各种高、深建筑物的不断出现，对地基基础提出了更高
的要求。混凝土桩是埋入土层的柱型构件，桩的地震反应既与桩周、桩端土层地震反应有关，也与上部结构自身的动力反应有关，因此，研究地震作用下桩基础的动力特性变得十分复杂和困难。近几十年来，通过对历次强
震观测和震害调查表明，桩基础的破坏主要有液化破坏、剪切破坏和桩帽脱落破坏三种基本形式。而现行设计规范对于桩基础的抗震设计，主要依赖于经验，有待于进一步分析研究，因此，地震作用下桩土承台的动力特性
已成为桩基研究的新方向。
2 分析方法与基本理论
传统桩基抗震计算都是将地基假定为刚性，作用在基底的地震荷载视为静定力，进行基础验算。此种方法沿用静定分析方法，忽略上部结构、桩、土之间的相互作用。地震作用下桩――土――结构的动力相互作用分析
是桩基抗震研究的主要内容。
有限元法（FEM）数值分析方法已成为科学研究和工程设计人员在分析解决复杂问题时主要使用的方法。目前比较流行的商业有限元专业软件主要有ANSYS、SAP、ADINA、FLAC、PLAXIS、CRISP、MARC以及我国
自行开发的在线有限元程序自动生成软件FEPG等，它们各有各的优缺点和适用领域，而ANSYS是其中世界公认的应用最广泛功能最强大的有限元软件。ANSYS提供了强大的动力计算分析功能、结构非线性静力，包括几
何非线性、状态非线性和材料非线性计算模块。在本文的有限元分析模型中，就考虑混凝土、桩周土层等材料的非线性和桩土接触状态的非线性。
在ANSYS中建模时，首先要对所研究的对象选择能够准确反映其本构关系的单元类型。群桩的研究对象是由钢筋混凝土承台和桩以及周围的土体构成的。基桩和土体皆选用PLANE42（轴对称）四节点单元，在建立模
型时起到辅助作用，SOLID45单元用于桩、土、承台单元，用TARGE 170和CONTA174接触单元来建立桩土之间非线性接触。模型底部及侧向边界采用三向约束，对称面加对称约束。用ANSYS模拟的混凝土桩，相对于土
体材料，可视为刚性体，故可用理想线弹性模型假定桩体的应力应变成正比，应力达到屈服应力后应力不变应变无限增加。土的本构关系采用德鲁克普拉格屈服准则，并以摩尔库伦理论作为判断土体破坏的准则。
3 数值计算与分析
本文采用2×2四桩模型进行了群桩在竖向荷载作用下的桩、土、和承台工作性状的分析。在模型建立中，取土的宽度为承台平面尺寸的5倍，土的深度取为2倍的桩长。混凝土灌注桩桩径400mm，桩长10m。采取对称
布桩，取1/4模型计算。为探讨桩――土非线性相互作用体系在地震荷载下的反应，输入天津地震波的加速度时程，其中天津波的记录时长为2.0s，时间间隔.02s，一共1000个点，同时施加竖向荷载100kN。
根据地震波z方向位移等值线分析，桩顶z向位移沿横向偏移，说明地震作用会使桩体产生水平方向变形。土体侧向位移受地震波方向的影响，从桩底、桩顶附近逐渐扩展到远离桩体的范围。桩体竖向位移随地震作用时
间的增长而逐渐增大。地震作用增大了桩体沉降，因此，在抗震设防烈度较高地区采用桩基础时，应充分考虑地震作用对基础沉降的不利影响。桩顶、桩底水平方向位移变化与地震波加速度时间曲线分布基本一致，说明地
震作用对桩体侧向位移有显著影响，同时，由于地震波从地下向地表传播，传播过程中地震释放能量逐渐衰减，因此桩底的位移值明显高于桩顶位移。
桩土承台的共同作用，降低桩顶的位移，增大桩身上部承担的荷载。承台边角处应力较小，桩与承台嵌固处应力较大，承台、桩连接的薄弱处，容易发生剪切破坏。而目前桩――承台连接方式为桩嵌入承台，桩内伸出
钢筋按拉锚要求埋入承台，其抗拔与嵌固均不足，致使钢筋拔出、剪断或桩头与承台相对位移，因此在施工过程中应该引起足够重视。
4 结论
通过ANSYS有限元数值分析，得到以下主要结论：
（1）土体上部结构与桩底附近在载荷作用下为受力主要工作区，对地震响应有较大贡献，在桩体设计与土体处理中应重点考虑。
（2）在地震作用下考虑桩――土间的非线性相互作用，将使桩――土运动相互作用体系的位移反应值较静载作用情形下有明显的增大。
（3）采用接触单元模拟桩土界面相互作用具有较好的灵活性，可以充分考虑桩土的脱离情况，较好地模拟剪力的传递、桩与土的相对位移及桩的破坏。
（4）利用ANSYS建立计算模型，模拟土体分层、非均质的特性，并解决边界条件难于确定的问题，具有一定的科学价值。
参考文献
［1］王平.桩――土――承台体系动力相互作用的数值模拟［D］.天津：河北工业大学，2006.
［2］谭建国等著.使用ANSYS进行有限元分析［M］.北京：北京大学出版社，2002.
