问题描述:
PLAXIS结构单元中有两种“锚杆”单元,分别称为点对点锚杆(node to node anchor, 简称N2N anchor)和锚定杆(fixed end anchor,简称FE anchor),这两种“锚杆”单元是否只能用来模拟实际工程中的锚杆呢?其主要区别又是什么?
软件版本:
PLAXIS 2D AE~PLAXIS 2D 2017;PLAXIS 3D
2013~PLAXIS 3D 2016
解答:
PLAXIS结构单元中的两种“锚杆”单元,实际上属于弹簧类力学构件,即仅可承受拉或压荷载,不可承受弯和剪荷载的结构单元。这两种锚杆单元所采用的材料属性参数是相同的,即材料数据库中所定义的“锚杆”类材料,如图1所示。
图1 锚杆材料属性数据库
锚杆材料属性主要包括锚杆单元的轴向(拉/压)刚度EA,以及锚杆间距L(2D),如图2所示。此外,除作为弹性弹簧构件之外,锚杆单元也可作为弹塑性构件或考虑残余强度的弹塑性构件,如图3所示。也就是说,我们可以定义锚杆单元的轴向拉/压强度和残余拉/压强度,考虑其塑性屈服及软化效应。
图2 锚杆材料属性
图3 弹塑性锚杆材料类型
以下分别对这两种“锚杆”单元的特点及其应用做一介绍。
1. 锚定杆(FE anchor)
从其英文名称可以看出,锚定杆是指一端固定、一端连接其他结构构件的弹簧单元,用T形符号表示。由于该单元在几何上为点对象,因此需要定义其方向和等效长度,才能唯一地确定锚定杆构件,如图4所示。其中,锚定杆作用方向指该单元固定端与连接端之间形成的弹簧连线方向,也即弹簧的受力反向,在软件绘图区域T形符号的方向可以直接显示。等效长度指固定端与连接端之间的距离,与锚定杆单元的变形直接相关。需要注意的是,此处的固定端一般指位移零点所在的位置。
图4 锚定杆几何参数定义
锚定杆单元可用于模拟不考虑结构-土相互作用的端承桩或锚杆,以及支撑构件等。此时其固定端一般为端承桩的桩端、锚杆的锚固端、支撑的对称点或约束端,而等效长度可据此计算。锚定杆单元的计算结果主要包括(节点)轴力及转角等,见图5.
图5 锚定杆单元的计算结果
2. 点对点锚杆(N2N anchor)
同样的,从其英文名称可以看出,点对点锚杆是指连接两端(比如两个结构构件)的弹簧单元,在几何上用一条直线段表示,因此其作用方向与长度均可由这条直线段来唯一确定。需要注意的,虽然点对点锚杆在几何上表示为一条直线段,但其本质为弹簧单元,因此除了两个用于连接构件的端点以外,其余部分均为虚拟几何表示,并不参与有限元网格的划分。从有限元概念上讲,该构件只有两个节点,分别位于两端,这一点要区分于其他梁、板、土工格栅类构件,如图6所示。
图6 点对点锚杆的有限元网格
点对点锚杆可用于模拟拉杆类构件(如板桩码头或板桩围堰的拉杆等)、支撑类构件(如基坑支撑、结构柱等)、预应力锚杆的自由段等主要承受拉/压荷载的杆件。点对点锚杆单元的计算结果主要包括(节点)轴力,见图7所示。
图7 点对点锚杆单元的计算结果
综上所述,两种锚杆单元实际为弹簧单元,适合于模拟轴向受力的杆件,无法考虑结构-土相互作用,因此对于桩、预应力锚杆注浆段、岩石锚杆、土钉等主要依靠结构-土相互作用来承受荷载的土工构件,一般不推荐使用锚杆单元模拟,而推荐使用PLAXIS中的嵌入式梁单元(embedded beam),可参考桩单元与土体的接触关系及承载力定义。此外,对于需要考虑横向受力的构件,也不宜使用锚杆单元模拟。
最后需要注意的是,在PLAXIS的结果单元当中,只有锚杆单元可以施加预应力,因此模型中涉及考虑预应力问题的构件,可将锚杆单元作为预应力构件使用,可参考锚杆预应力的施加。