高校-基于非线性弹簧的自适应刚度可调变形调节器模拟

第2期李玉花等：灰色聚类法在膨胀土分类中的应用2016SIMULIA中国区用户大会年11月2日2016SIMULIA中国区用户大会上海基金项目：国家自然科学基金（50678083）。1基于非线性弹簧单元的自适应刚度可调变形调节器模拟濮仕坤1周峰2李二兵1(1.解放军理工大学国防工程学院、南京市海福巷1号、210007；2.南京工业大学交通学院、南京市中山北路200号、210009)摘要：利用abaqus非线性弹簧单元，模拟自适应刚度可调变形调节器。建立简化的桩基有限元模型，提出自适应变形调节器的调节策略。通过对比两代变形调节器工作时建筑物和基础的受力变形，说明主动式刚度可调变形调节器实现的可能性，合理性，为主动式非线性调节器的投入使用，建筑物楼宇差异沉降的智能化控制，提出了一定的依据。关键词：桩土共同作用；差异沉降；变形调节器；非线性弹簧作者简介：濮仕坤(1982-)，男，江苏南京人，讲师，主要从事地下工程施工技术研究。E-mail：kurtbush@126.comSimulationofAdaptiveStiffnessAdjustableDeformationRegulatorBasedonNonlinearSpringElementPUshi-kun1Zhoufeng2LIer-bing1(Address,Postalcode，六号)Abstract:Asimplifiedthree-dimensionalfiniteelementmodelofpile-foundationisestablished,andanadaptivestiffness-adjustabledeformationregulatorissimulatedbyabaqusnonlinearspringelement.Theadjustmentstrategyofadaptivedeformationregulatorisproposed.Bycomparingthedeformationofbuildingsandfoundationsduringtheworkoftwogenerationsofdeformationregulators,thepossibilityandrationalityoftherealizationofactivestiffnessadjustablestrainadjustersareillustrated.Theuseofactivenonlinearregulators,thedifferenceofbuildingbuildingsSettlementoftheintelligentcontrol,putforwardsomebasis.Keywords:Pile-soilinteraction;differentialsettlement;deformationregulator;nonlinearspring1绪论如今，大底盘高层建筑的筏板动辄数米之巨[1]-[2]，高塔下基础的荷载一般达到500～600kPa。由多年的共同作用理论研究可知[3]-[4]，只有对地基与桩基构成的支承体的支承刚度进行可控、合理的调整，才是差异沉降控制设计最有效的方法。目前国内外有不少学者对控制建筑物的差异沉降以及地基基础的设计优化等问题开展一些研究[5]-[11]。然而在土质较差地区可以通过桩基的向下刺入来考虑地基土的承载力，这方面的研究成果较丰富[12]-[14]，但是在某些土质较好的地区，当天然地基承载力不能满足上部结构荷载的需要，但又相差不多时，改用桩基后，由于桩端有较好的持力层，桩基无法向下刺入，基底下良好的持力层也无法得到利用，浪费巨大。宰金珉、周峰[15](2006)研制的第一代自适应变形调节器，可根据荷载自动调节自身变形，其经济、社会效益都非常显著。周峰、宰金珉、濮仕坤[16]研制的第二代自适应刚度可调变形调节器具有调节范围大、支承刚度人为设定等特点，性能稳定。本文拟采用大型通用有限元软件ABAQUS中非线性弹簧单元模拟两代自适应调节器的工作性状，为主动式非线性调节器桩筏基础的初步设计给以参考。2非线性弹簧单元和主动式桩顶变形调节器[17]ABAQUS的INTERACTION功能模块定义了产生相互作用的弹簧(Spring)单元；弹簧单元主要用来模拟实际的物理弹簧及理想轴向或扭转弹簧；在实际运用中，弹簧单元也可以约束或阻止物体在某一方向上的部分运动。对于本文来说，安装于筏板和桩基之间的自适应刚度可调变形调节器的性状完全可以由ABAQUS中线性和非线性弹簧的模拟而实现。弹簧单元的主要功能有：1、耦合力和位移；2、在ABAQUS/Standard中可以耦合弯矩与相对位移；3、可以模拟线性和非线性性状的弹簧；4、如果弹簧是线性的，它隶属于稳定状态直接解分析中的频率，以及温度和场变量；主动式调节器实施调节的基本原理是：首先计算出调节器在等刚度下产生的最大和最小变形值，然后将最大变形差作为调节器需要调节的量，下文将第1、2两根桩顶调节器进行主动式调节进行分析。图1是桩顶调节器的调节变化过程，其中P2是按初始支承刚度计算下调节器4所受到的荷载，S2是最大沉降处调节器所发生的变形(一般发生在筏板中心处)，S3是调节器在初始支承刚度下所发生的变形，P1=0.5P2，S1是初始支承刚度下调节器受P1时所产生的变形。因此，当调节器受到的荷载小于P1时，调节器仍然按照初始支承刚度刚度进行工作，而当其荷载大于P1后，通过射流作用，调节器开始工作，将容器中的颗粒抽吸至容器外，容器体积改变，导致竖向位移的变化，在其所受荷载达到P2时，将其位移调节至S2，即与最大变形一致，换句话说，当P<P1时，调节器的刚度为K1，当P1<P<P2时，调节器的刚度为K2。这样，经自适应调节，沉降最小处的位移和最大处可趋于一致。在ABAQUS中，刚度K1和刚度K2可以分别用图1中线性和非线性段来表示。图1自适应刚度可调原理图2模型剖面图Fig1TheprincipleofActiveadjustablerigidityFig2Theprofileofthemodel3模型描述本算例采用平面有限元法，将安装调节器筏板的受力特性进行分析，土体本构模型采用扩展线性Drucker-Prager模型，桩土间的剪应力和剪切位移采用罚函数的形式，分别用线性和非线性弹簧单元模拟被主动式变形调节器以及桩土之间的工作性状。图2为调节器作用下端承桩复合桩基筏板差异沉降的分析模型。如图所示，桩径0.6m，桩长15m，桩距为3倍桩径，筏板厚1m，板长12m，桩间土厚度为15m，下卧层深度5m，为了能输出弯矩，筏板采用梁单元，土层采用平面单元，桩土间摩擦罚函数值为0.3。边界条件：底部竖向约束，两侧横向约束。弹簧单元竖向初始刚度40kN/mm，横向初始刚度1×1014kN/mm(即相当于横向没有变形)，筏板施加均布荷载100kPa。材料的本构模型：桩身为线弹性体，地基土为弹塑性材料，假定服从扩展线性Drucker-Prager模型，模型参数见表1，本算例采用Linear和NonlinearSpring2单元考虑不同位置线性弹簧的不同刚度以及非线性弹簧的非线性刚度，分析二者对于端承桩复合桩基条件下桩土共同作用的影响。表1材料参数Tab1materialparameter材料模型C(kpa)φ弹模（Mpa）泊松比β(Kpa)桩线弹性292000.15板线弹性292000.15土层1弹塑性3715200.329.296土层2线弹性10000.254结果分析4.1被动式调节器使用效果模拟图3为被动式调节器刚度位40kN/mm时，筏板沿长度方向的沉降分布。可以看出，在调节器作用下，桩距最大沉降量为0.038m，最小沉降量为0.03m，差异沉降为0.008m；图3模型整体竖向位移Fig3Theverticaldisplacementofthewholemodel图4筏板沉降，云图(放大倍数:200)和曲线Fig4Thesettlementoftheraft，contourmap(scalefactor:200)andcurve图5是筏板弯矩变化曲线，从图上看出，由于差异沉降的存在，跨中最大弯矩和边角最小弯矩相差约1000kN.m，可见由于差异沉降带来的弯矩是非常巨大的。图5筏板弯矩图6桩1-4轴力Fig5ThemomentoftheraftFig6Theaxialloadofthepile1-4图7是调节器1-4的变形变化，从图上看出，由于从差异沉降的存在，使得各调节器之间的变形有所不同，其中1号调节器和2号调节器的位移量小于3号和4号，1和4号调节器变形差值约0.008m，与筏板的差异沉降量大致相同；图8是调节器的刚度，从图上可以看出，虽然调节器之间的位移不同，但各个调节器的刚度均为40kN/mm。图7调节器的变形图8调节器的刚度Fig7ThedeformationoftheadjustorFig8Therigidityoftheadjustor从上面的分析可以看出，保证地基土承载力充分发挥的同时，仍然做到零差异沉降控制，可以通过分别设置自适应变形调节器的刚度，以及通过调整主动式自适应刚度可调变形调节器来实现。4.2主动式调节器使用效果模拟图9是经主动式调节之后的调节器变形图，从图上可以看出，通过调节，第1、2号调节器的变形明显大于3，4号调节器，最终变形量1号达到0.026m，2号达到0.020m。而从图10可以看出4个调节器刚度的变化状况，1、2号调节器已呈现明显的非线性，而3、4两个调节器的刚度仍然保持原来的水平。图9调节器变形图10调节器刚度Fig9ThedeformationoftheadjustorsFig10Thergidityoftheadjustors图11是经自适应调节后筏板的沉降曲线，从图上可以看出，主动式调节后的筏板最大沉降量为0.04m，最小沉降量为0.38m，差异沉降量为0.002m。图11筏板沉降，云图(放大倍数:200)和曲线Fig11Thesettlementoftheraft，contourmap(scalefactor:200)andcurve图12为自适应调整后筏板的弯矩图，从图上可以看出，弯矩呈现明显的W型，最大弯矩为250kN/m。图12筏板弯矩图13桩1-4轴力Fig12ThemomentoftheraftFig13Theaxialloadofthepile1-44.3被主动式调节器比较图14是两种调节器调节后筏板沉降比较，从左图可以看出，在被动式调节器调节作用下，最大沉降量为0.038m，最小沉降量为0.03m，差异沉降量约为0.008m，而经主动式调节器调节后，最大沉降量为0.04m，较之前有所增加，但由于自适应刚度调整的作用，1、2号调节器变形量增加量，致使该点处筏板沉降量增加至0.038m，差异沉降减少至0.002m图14筏板差异沉降云图(放大倍数：200)比较，左：被动式、右：主动式Fig14Thecompareofthecontourmap(scalefactor:200)，left:linear，right:nonlinear图15筏板沉降量比较图16筏板弯矩比较Fig15ThecompareoftheFig16Thecompareofthesettlementoftheraftmomentoftheraft图17塑性区开展左：线性调节，右：非线性调节Fig17Theexpansionoftheplasticarealeft:thelinearadjustment，right:thenonliearadjustment图16是筏板塑性区开展状态的比较，自适应调节使得塑性区开展明显得到了加强，对比左右两图可以看出，经自适应调节后塑性区更加集中，1、2两桩桩间土的塑性区开展明显增强，并且从图6和图13的对比可以看出，经自适应调节后的桩身荷载，较未经自适应调整的桩身荷载减少了约25%左右。因此，端承桩复合桩基借助于自适应变形调节装置，可以再桩尖不发生刺入的情况下，充分发挥地基土的承载力，不依赖于地质条件，减少不均匀沉降，对于非软土地区有着很好的应用前景。5主要结论（1）对于端承型复合桩基，被动式变形调节器可以明显提高桩间土承载力，减少差异沉降，而主动式变形调节器在其基础上，进一步减少了差异沉降；（2）使用主动式自适应刚度可调变形调节器，可以基本实现筏板零差异沉降的目标。在施工过程中每一个阶段，通过计算，按零差异沉降给出调节器的支承刚度，然后进一步通过调节变形调节器的刚度来调整支承刚度，这样就有可能实现在施工过程中的每一步做到建筑物的零差异沉降的目标。参考文献[1]龚晓南，陈明中．桩筏基础设计方案优化若干问题[J]．土木工程学报，2001，34(4)：107～110[2]阳吉宝，赵锡宏．高层建筑桩箱(筏)基础的优化设计[J]．计算力学学报，199714(2)：241～244[3]宰金珉，宰金璋．高层建筑基础分析与设计[M]．中国建筑工业出版社，1993[4]宰金珉．复合桩基理论与应用[M]．知识产权出版社，2004[5]宰金珉，利用变刚度垫层改善基础工作性状的探讨．全国地基基础新技术学术会议论文集[C]，中国建筑学会地基基础学术委员会，1989，南京[6]宰金珉，地基刚度的人为调整及其工程应用．第八届土力学及岩土工程学