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solidThinking Inspire在端承桩布局优化设计中的应用

2015/8/11        作者:李涛  王鹏飞  蔡坤      
关键字:CAE  solidThinking Inspire  CAE软件  
本文使用CAE软件——solidThinking Inspire的相关功能,基于传统设计方案进行二次优化设计,并根据RADIOSS静力分析结果校核关键参数。

1 概述

    端承桩作为深基础中桩基的一种类型,是指在竖向极限荷载作用下,桩顶荷载全部或主要由桩端阻力承受的桩。沉降量作为影响端承桩基础质量的关键因素之一,在其设计和施工中格外重要。理论和实测结果均表明,端承桩基础的沉降主要是桩的弹性变形,基岩的压缩变形很小,所以需要通过控制桩径、桩体材料、桩的布局以及承台厚度等参数来减小承台沉降差和整体沉降。传统设计方法根据《建筑地基基础设计规范》《建筑桩基技术规范》等规范要求可以完成包括端承桩在内的各种桩基础参数的确定和校核,但是往往存在很大的优化潜能,造成材料的浪费和工程量的增加。

    而采用Altair solidThinking Inspire提供的解决方案,可以方便快捷地对端承桩群桩基础进行优化设计。solidThinking Inspire内置自动划分有限元网格功能,使用连续体拓扑优化技术,以OptiStruct为后台拓扑优化求解器,应用变密度法求解策略,对结构上的低效材料进行删减,可以得到更大程度发挥材料性能的结构拓扑方案,为工程节省工时和材料,带来直接的经济效益。

    OptiStruct使用的变密度法是目前应用最为广泛的拓扑优化方法之一,已经在多种商业有限元优化软件中得到实现和认可。变密度法以各向同性材料为基础,通过一定的插值模型人为地建立单元相对密度和材料杨氏模量之间的显式函数关系。其中常用的插值模型主要有:固体各向同性惩罚微结构模型(Solid Isotropic Microstructure with Penalization,简称SIMP)和材料属性的合理近似模型(Rational Approximation of Material Properties,简称RAMP)。通过在材料插值模型中引入惩罚因子,以结构的单元相对密度为设计变量,对中间密度进行惩罚,促使其向实体和空白材料转化,并运用数学规划法或优化准则法求解,把结构的拓扑优化问题转化为不同密度材料的最优分布问题。

2 拓扑优化模型的建立

    通常由于端承桩的桩身会穿越软弱土层,桩端设置在密实砂层、碎石类土层、中等风化及微风化岩层等承载能力较强的持力层上,桩侧阻力相对于桩端阻力而言很小,可忽略不计。由此可知端承桩的荷载传递机理:荷载通过基础承台传递给桩体,桩体主要通过桩端的端承力将荷载传递给地基土体或岩层,基本上可以忽略桩间土的作用。所以,端承桩计算模型主要由承台、桩体和基岩三部分组成,如图1所示。

图1 端承桩计算模型示意图

图1 端承桩计算模型示意图

2.1模型概况

    为了更加清晰地介绍利用solidThinking Inspire进行端承桩布局优化的过程,本文参照实际工程案例,采用简化模型进行三维有限元分析,桩位平面布置如图2。基础承台面积为34.5m×21m,厚1m,作用均布荷载250kPa。采用圆形截面C30混凝土桩,桩径1.5m,桩长12m,桩中心距4.5m,承台边缘距边桩中心距离为1.5m。基岩厚8m,长宽均与承台相等。

图2 桩位平面布置图

图2 桩位平面布置图

责任编辑:吴星星
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