ANSYS数值计算在土木工程中的应用与最新进展--上课

εo
ε
o
εo
εuε
Saenz公式表示的混凝土应 力-应变关系 钢材用两线型本构模型
计算中简化的混凝土本构 关系
计算工况
• • • • 模态分析 谱分析 中震下弹性时程分析 大震下弹塑性时程分析
Mises屈服准则+随动强化模型
输入地震波
100 50
a(gal)
0 -50
人工模拟波
0 10 t(s) 20 30 40
e f h
a
14 12
e f h
a
12
号层
10
8
号层
10
8
6
6
4
g
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02
4
2
g
2 0
0
层间相对位移值
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
位移值
变形形式：头部弯剪型，尾部弯曲型
剪力墙应力反应
开挖分析应力位移结果
1260m高程截面控制点的应力位移值表
载荷 步 控制点 1 未开 挖 2 径向位 移(mm) -3.97 0.70 环向位 移(mm) 0.72 -3.46 径向应 力(Mpa) -0.52 -0.35 环向应 力(Mpa) -0.43 -1.66 载荷步 未开挖 4 1 2 开挖1 1.34 -7.26 -0.45 3.57 0.31 -3.37 -0.29 -0.04 -0.05 -1.55 2 -0.36 3 -0.86 4 1.63 -8.13 -0.99 0.37 -0.40 -7.89 -0.91 0.56 0.45 3.44 -1.10 -3.55 -0.39 3.71 -1.06 -3.47 -0.50 3.45 -0.30 -0.04 -0.06 -0.02 -0.05 -0.06 -0.09 -0.04 -0.08 -1.40 -0.30 -0.90 -0.42 -1.01 -0.44 -0.95 -0.47 -1.01 3.31 -0.29 -0.41 -0.29 0.85 -3.42 -0.32 -1.26 控制点 1 径向位 移(mm) -4.00 环向位 移(mm) 0.57 径向应 力(Mpa) -0.52 环向应 力(Mpa) -0.45
0.25
0.3
0.35
-0.3
A1波
-0.15
TH1波 时间
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Y向位移最大值
-0.4
0
2
4
6
8
时间
10
12
14
16
18
20
-0.2
ຫໍສະໝຸດ Baidu
F点顶层Y向位移时程比较曲线
0.15
G线顶层Y向位移时程比较曲线
0.04 0.03
0.1
0.02
0.05
0.01
0
移位
楼层
1 3 4 6 7 10 12 14 15
Umax (mm) 3.08 20.1 31.7 59.8 75.8 129 167 205 223
U0 1.62 10.9 17.4 33.1 41.2 65.7 89.3 120.0 140.0
层间位移
A1波层间位移
18
TH1层间位移
18
16
16
14
柱内力反应
TH1波作用下柱最大剪力及剪压比
1区 楼层 1 2 3 4 5 V（kN） 526 281 450 410 447 V/fcA 0.017 0.009 0.014 0.013 0.014 V（kN） 478 135 446 446 605 2区 V/fcA 0.027 0.008 0.026 0.026 0.035 V（kN） 356 280 1093 798 372 3区 V/fcA 0.026 0.020 0.079 0.058 0.035
层间位移
0.015
0.02
0.025
4号楼抗震性能分析结论
该结构具有较好的抗震性能，中震作用下，结构基本处 于弹性状态，大震作用下，有足够的抵御变形的能力，保 证不倒塌。 中震作用下，结构变形呈弯剪型，无位移薄弱层。 剪力墙承担了85%的总剪力，说明剪力墙布置合理。结 构左端剪力墙形成的筒体为薄弱区域，在中震作用下，局 部达到屈服状态，应予以加强。 柱剪压比能满足规范规定的小震下的限值，表明柱的抗 剪承载力较高。轴压比均不大于0.7，应力分析表明，柱 未见屈服。 梁在圆弧端部和与连廊连接的部位出现明显的轴力，设 计时应按偏压（拉）构件计算
工程项目的有限元计算
成都市市政中心抗震性能分析 某雷达天线塔考虑土-桩-上部结构共同工作自 振特性研究 福堂水电站调压井开挖稳定性分析 高技术厂房结构微振响应分析

成都市政中心4号搂
结构总高度72.4m，总宽52.5m，单肢宽13.5m。 结构长度134.368m； 结构沿x轴对称，沿y轴严重不对称，竖向布置上 采取了一边退台、一边挑出的方案，使重心逐渐向 左偏移，各层质量、刚度相差较大。
-0.05
-0.1
A1波
-0.15
移位
0
-0.01
-0.02
-0.03
TH1波 时间
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.04
AI波 TH1波 时间
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.2
-0.05
最大水平位移和同时刻平均位移比值
A1波 TH1波 Umax /U0 1.91 1.84 1.82 1.81 1.89 1.97 1.87 1.70 1.59 Umax (mm) 3.84 24.4 38.0 71.0 89.4 155 203 249 271 U0 2.00 13.6 23.6 45.1 55.4 84.6 117 152 176 Umax /U0 1.92 1.80 1.61 1.57 1.61 1.84 1.74 1.63 1.54 Umax (mm) 3.70 23.5 37.1 70.0 88.6 151 193 234 254 TH3波 U0 1.95 13.2 21.4 41.0 50.6 78.2 102 139 161 Umax /U0 1.90 1.78 1.73 1.71 1.75 1.93 1.88 1.68 1.57
反演分析
根据勘测资料建议范围取不同的参数组合，利用现场监测数 据，反复试算、反演； 反演条件主要考虑不同高程后边坡的沉降为控制值； 确定弹性模量为1260m高程以上E=2.5GPa，1260m高程下 部为E=7GPa。
实测位移与计算位移对比表 高程 1230 1260 1270 1280 8.16 10.62 3.48 实测应力 （MPa） 实测位移 （mm） 3.26 5.42 9.69 7.60 4.91 计算应力 （MPa） 计算位移 （mm） 3.94 6.19
柱等效应力
楼板应力反应
大震下位移反应
弹塑性分析各点包络线比较图
18 16 14
12
数层
10
8
A点 H点 E点 F点 G点
6
4
2
0
0
0.05
0.1
0.15
位移反应最大值
0.2
0.25
0.3
0.35
18
A、H、E、F、G点层间位移比较
16
14
12
数层
10
A H E F G
8
6
4
2
0
0
0.005
0.01
工程概况
福堂水电站位于四川省阿坝藏族羌族自 治州汶川县境内的岷江干流上，装机容 量360MW，由首部枢纽、引水系统和厂区 枢纽组成。引水隧洞全长约20km，最大 引用流量251m3/s；调压井设计为开敞差 动式，圆形断面，内径31m，深110m,为 亚洲第一深井。
有限元模型
围岩部分采用八节点六 面体单元Solid45及其锐化 的十节点四面体单元 Solid92，衬砌部分采用混 凝土单元Solid65。 模型边界条件：四周侧 立面采用对称边界条件， 底部采用固定约束。 材料分两层：上部为四 类岩体，下部为三类岩体。 单元数69316、节点数 36803 。
土木工程结构数值分析
概 述（1）
现代土木工程结构正向大型化、复杂化方向发展，需要高 精度的结构分析与精确的过程仿真，作为结构设计、施工的 基础；
利用数字技术替代结构整体试验了解结构受力性能已成为 经济、可靠的捷径 ；
计算力学的发展为结构数值分析提供了理论基础，有限差 分法、有限元法、边界元法…，新算法研究（并行计算、结 构优化、反问题算法），本构理论的发展等； 计算机科学的发展为高性能计算提供了条件，三维可视化 建模技术、并行大容量计算系统、网络计算机。
雷达天线塔考虑土-桩-上部结构共同工作自振特性研究
某雷达天线塔，高9 m，半径3.2 m, 采用人工挖孔扩底灌 注桩基，共8根桩，桩径1m，承台厚1.3m，位于较软弱的地 基上。
因工艺要求需要了解结构的自振频率
有限元模型
采用三维实体元，上部结构单元数32872，节点113921， 地基、承台和桩单元数17865，节点数46257。
福堂水电站调压井开挖稳定性分析
建立三维有限元模型，研究在自重荷载作用下 围岩与衬砌的受力和变形情况，根据现场监测 数据，反演初始地应力和材料参数。 利用ANSYS软件的生死单元功能模拟调压井的 施工开挖状况，以确定合理的施工顺序和施工 方法。分析施工过程围岩的稳定性，研究调压 井在支护、钢筋混凝土衬砌及围岩共同作用下 的工作性能。
位移反应
b i c d
A1波位移包络线
18
16
a
14
n
f
e
a h
12
h e g f
E点顶层Y向位移时程比较曲线
0.2
号层楼
10
m
8 6
A线顶层位移时程比较曲线
0.3
0.2
0.15
g
4
0.1
0.1
0.05
0
移位
2
移位
0
-0.1
-0.05
-0.2
0
A1波 TH1波
-0.1
0
0.05
0.1
0.15
0.2
-100
100 50
0 -50
-100 0 10
美国San Fernando M6.5 地 震记录二个分量
t(s) 20 30 40
a(gal)
a(gal)
100 50 0
-50 -100 0 10 t(s) 20 30 40
结构自振周期及振型
第一周期1.69s
第二周期1.54s
第三周期1.12s
注：第一次换土指（ -0.3—4.3）m的土换为混凝土材料 ，第二次换 土指桩底高度1m以上的原土换为C15混凝土 。
小结
当土较软弱时，土-桩-上部结构共同作用效应显 著，计算结构的自振特性应考虑土-桩-上部结构的 共同工作； 当采用全模型计算结构的特征值时，应正确判断 结构的模态和土局部模态； 利用土弹簧模型计算特征值是可行的，但要考虑 合理的方法确定弹簧刚度。
地基范围取2.5倍承台直径，四周为对称边 界，底部固定。
分析工况
上部结构-土-桩全系统自振频率 分析；
用弹簧替代土模型自振频率分析， 弹簧刚度系数由地基土的静力分析 获得； 自振频率影响因素研究。
工况1分析结果
第一振型，f1=1.6093Hz
第二振型，f2=1.6098Hz
如不考虑土的影响，按 结构基顶固定考虑第一 频率为32Hz。
概 述（2）
1991年，美国“国家关键技术委员会”提出计算机仿真分 析与建模是美国新时期应优先发展的关键技术之一； 工程研究进入新时期，美国自然科学基金建立机构 “George E. Brown Jr. Network for Earthquake Engineering Research (NEES) ”，专门从事地震工程研究， 集实验、计算为一体，利用实验室和宽带网构建研究平台。 15个装备先进的大型实验室+网络计算系统NEESgrid； 数值分析的实现需要操作者具备良好的计算力学基础+工 程结构知识+分析经验，熟练建模、选择计算方法、对结果 作出正确的解释是任一项分析所要求的。 结构分析对软件的实用性、准确性和适用性等方面的要求 越来越高。
第三振型，f3=1.9612Hz
工况2分析结果
f1=3.35Hz
f2=8.45Hz
f3=16.95Hz
f4=21.20Hz
f5=32.74Hz
工况3分析结果
模拟不同加固地基情况时结构的自振频率
1 未加固 换第一 层土 桩周加 混凝土 第二次 换土 3.35 3.61 4.11 4.45 2 8.45 3.70 10.7 4.56 3 16.9 8.79 22.3 10.8 4 21.2 35.9 41.8 43.5 5 32.7 50.4 58.9 59.1 6 34.2 50.5 59.7 59.1 7 66.7 85.7 93.4 93.9 8 67.5 88.5 96.5 97.4 9 110.7 118.4 120.1 118.5 10 110.8 125.3 125.9 125.5

典型平面图
层平面图
第一层
第十一层
第四层
第十五层
有限元建模
杆件单元：BEAM188 楼板、墙单元：SHELL181
整个模型共为69243个单元、55907个节点
SHELL181
混凝土本构关系
σ σo A
u σu ε
σ σo
0 fc 0 0.002 cu 0.0033
o
自重荷载作用下结构变形情况
最大竖向位移为10.8mm，发生在后边坡，井周最大竖向 位移6.5mm
Z向位移分布图
整体结构变形图
自重荷载作用下衬砌变形情况
井筒径向位移 最大值 6.19mm ，发 生在后边坡侧 1260m高程 ； 井筒环向位移 最大值约5mm， 发生在福堂沟 侧
结构等效应力分布图
衬砌等效应力分布图
开挖稳定性分析
研究随开挖、衬砌的进行，调压井围岩的应力和位移的变化 规律。 通过对比分层开挖围岩应力与位移的变化，研究不同开挖施 工方法对围岩稳定的影响。
两层开挖、两次衬砌 未开挖 开挖1 衬砌1 开挖2 衬砌2 一次衬砌 应用生死单元 一次开挖、一次衬砌 未开挖 一次开挖