有限元在土木工程中的应用
有限元方法在基础沉降计算中的应用及工程实例
有限元方法在基础沉降计算中的应用及工程
实例
有限元方法在基础沉降计算中的应用及工程实例
有限元方法是一种分析复杂结构问题的数值解法，它可以用于计算建筑物和地基之间的水力平衡。
本文旨在介绍有限元方法在基础沉降计算中的应用及相关的工程实例。
首先，在基础沉降计算中，有限元方法是一种重要的数值解法，特别适用于复杂的地质结构和土体性质的情况，可以对土层的支撑效果进行准确的计算。
根据有限元原理，所有土体可以被划分成更小的有限单元，并以此来代表计算中的空间位置。
该方法可以更加准确地计算土体的各个部分的应力及变形，从而估算出沉降量。
其次，有限元方法在基础沉降分析中的应用不仅能确定沉降量，而且还能准确分析地基在荷载作用下的变形状态，从而有利于维修和改善软土地基。
以上海市某基础桩基础改造工程为例，该工程使用了有限元方法来对陆地开埭及周边环境进行分析，结果显示沉降量最大可达到20mm以上，一般沉降量在6~10mm之间，但这并不影响基础改造工程的正常施工。
此外，目前有限元方法已经得到了广泛的应用，其中包括深埋桩基础沉降分析、岸壁沉降分析、多层结构分析、斜坡稳定分析等。
比如重庆市一个桥梁工程，工程师使用有限元方法对桥墩进行了沉降分析，根据有限元分析结果，可知桥墩沉降量可在2.4mm左右，比根据现场试验结果得到的沉降量更接近实际情况。
最后，有限元方法在基础沉降计算中有着广泛的应用，能够更准确地计算沉降量和土体的变形状态，并且可以更好地评估地基的稳定性。
然而，有限元方法仍有些限制，比如无法准确模拟岩石地基的变形及沉降量，也不能解决桩眼内土体的塑性变形及施工沉降量等问题，因此，有限元分析仍然需要与现场实验结合起来，以确保分析结果的准确性。
有限元分析方法在工程中的应用
有限元分析方法在工程中的应用Application of finite element analysis methodin Engineering一、引言从20世纪50年代诞生到现在，有限元方法和技术经历了60年的发展历程，已经成为当今科学与工程领域中分析和求解微分方程的系统化数值计算方法。
由于有限元分析方法适用性强、形式简单、理论可靠等众多优点，近年来已被推广应用到航空航天、土木建筑、机械等相关科学领域。
本文以ANSYS软件为例，介绍其功能和应用，包括几何建模技术、网格划分与有限元建模技术、施加载荷与求解过程、结果后处理技术等。
图1是用有限元方法分析工程问题时的具体步骤[1]。
本文以车轮钢的疲劳性能研究为例，介绍有限元分析方法在其中的应用。
图1. 有限元方法进行计算机辅助工程分析的步骤二、ANSYS操作步骤ANSYS的基本操作步骤包括建模、划分网格、加载求解和后处理等步骤。
进入ANSYS系统后有六个系统，提供使用者和软件之间的交流凭借这六个窗口可以实现输入命令、检查模型的建立、观察分析结果及图形输出与打印。
ANSYS各窗口及工具条如图2所示。
图2. ANSYS的窗口及工具条1、建立模型首先必须指定作业名和分析标题，接着使用PREP7前处理器定义单元类型、单元实常数、材料特性，然后建立几何模型。
需要注意的是，ANSYS的GUI界面下没有类似WORD中的后退操作按钮，所以就出现了一个常见问题：做错一步操作如何后退？这里可以采用三种方法：（1）建模阶段可以使用Delete(删除)图元命令，划分网格阶段可以使用Clear（清除）单元命令。
（2）每完成一个模块的操作，都用SA VE AS保存数据到不同名的数据库文件中，出错后点击Resum Form恢复。
（3）使用命令：UNDO，ON以便激活ANSYS内部的返回命令。
本文以车轮钢为例，建立好的模型与图2类似，只是未划分网格。
2、单元网格划分一个实体模型进行网格划分（meshing）之前必须指定所产生的单元属性（element attribute）。
有限元分析在钢筋混凝土结构中的应用剖析
论文题目：钢筋混凝土有限元分析技术在结构工程中的应用学生姓名：刘畅学号：2014105110学院：建筑与工程学院2015 年06月30日有限元分析在钢筋混凝土结构中的应用【摘要】在国内外的土木工程中，钢筋混凝土结构因具有普遍性、可靠性良好、操作简单等优点，而得到了广泛的应用。
钢筋混凝土结构是钢筋与混凝土两种性质截然不同的材料组合而成，由于其组合材料的性质较为复杂，同时存在非线性与几何线形的特征，应用传统的解析方法进行材料的分析与描述在受力复杂、外形复杂等情况下较为困难，往往不能得到准确的数据，给工程安全带来隐患。
而有限元分析方法则充分利用现代电子计算机技术，借助有限元模型有效解决了各种实际问题。
【关键词】有限元分析；钢筋混凝土结构；应用随着计算机在工程设计领域中的广泛应用，以及非线性有限元理论研究的不断深入，有限元作为一个具有较强能力的专业数据分析工具，在钢筋混凝土结构中得到了广泛的应用。
在现代建筑钢筋混凝土结构的分析中，有限元分析方法展现了较强的可行性、实用性与精确性。
例如：在计算机上应用有限元分析法，对形状复杂、柱网复杂的基础筏板，转换厚板，体型复杂高层建筑侧向构件、楼盖，钢- 混凝土组合构件等进行应力，应变分析，使设计人员更准确的掌握构件各部分内力与变形，进而进行设计，有效解决传统分析方法的不足，满足当前建筑体型日益复杂，工程材料多样化的实际情况。
但是在有限元分析方法的应用中，必须结合钢筋混凝土结构工程的实际情况，选取作为合理的有限元模型，才能保证模拟与分析结果的真实性、精确性与可靠性。
在钢筋混凝土结构工程中，非线性有限元分析的基本理论可以概括为：1）通过分离钢筋混凝土结构中的钢筋、混凝土，使其成为有限单位、二维三角形单元，钢箍离散为一维杆单元，以利于分析模型的构建；2）为了合理模拟钢筋、混凝土之间的粘结滑移关系，以及裂缝两侧混凝土的骨料咬合作用，可以根据实际需要在钢筋、混凝土之间，以及裂缝两侧的混凝土之间设置相应的连结单元；3）结合钢筋混凝土结构的材料性质，选用与各类单元相适应的本构关系，即应力应变关系，此类关系为线性或非线性均可；4）与一般的有限元分析方法相同，非线性有限元分析也需要确定各单元的刚度矩阵，并且将其组合为钢筋混凝土结构的整体刚度矩阵，根据结构所受到的各种荷载作用与约束，计算出有限元结点的位移情况、单元应变与单元应力等。
如何在工程力学中应用有限元方法？
如何在工程力学中应用有限元方法？在现代工程领域中，工程力学的重要性不言而喻。
而有限元方法作为一种强大的数值分析工具，为解决复杂的工程力学问题提供了高效、准确的途径。
那么，究竟如何在工程力学中应用有限元方法呢？要理解有限元方法在工程力学中的应用，首先得明白什么是有限元方法。
简单来说，有限元方法是将一个连续的求解域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元组合体。
通过对每个单元的分析，最终得到整个求解域的近似解。
在工程力学中，有限元方法有着广泛的应用场景。
比如，结构力学分析就是其中一个重要的方面。
当我们设计一座桥梁、一栋高楼或者一架飞机的框架结构时，需要知道这些结构在各种载荷作用下的应力、应变和位移情况。
传统的理论计算方法在处理复杂结构时往往力不从心，而有限元方法则能够很好地应对。
我们以桥梁结构为例。
首先，需要对桥梁的几何形状和材料特性进行准确的描述。
然后，将桥梁结构离散化为众多的小单元，比如三角形单元或者四边形单元。
接下来，为每个单元建立力学方程，考虑其受到的外力、内力以及边界条件等因素。
通过求解这些单元的方程，再将结果组合起来，就可以得到整个桥梁结构的力学响应。
这样，工程师就能够清楚地了解桥梁在不同载荷下哪些部位可能会出现过大的应力，从而进行优化设计，确保桥梁的安全性和可靠性。
再比如，在流体力学领域，有限元方法也发挥着重要作用。
对于复杂的流体流动问题，如飞机机翼周围的气流、汽车发动机内部的燃油流动等，有限元方法可以帮助我们模拟流体的速度、压力和温度分布等特性。
通过建立合适的流体控制方程，并将求解区域离散化为单元，就能够对流体的流动行为进行准确的预测和分析。
除了结构力学和流体力学，有限元方法在热传递问题中同样表现出色。
在电子设备的散热设计、发动机的冷却系统设计等方面，需要了解热量在物体内部的传递和分布情况。
有限元方法可以将物体离散为单元，考虑热传导、对流和辐射等传热方式，从而计算出物体内部的温度场。
有限元在土木工程中的应用
土体固结分析
➢二维大变形固结分析
假定材料是线性的； 由于大变形即可导致非线性特性，即孔隙比
对渗透系数影响，有限元方法同样可以解决 此非线性问题。
土体固结分析
➢砂井固结分析
采用三维固结有限元方法，工作量较大，一 般转化为平面应变有限元方法计算。
隧道模型横断面尺寸可根据情况取7~10倍的隧 道直径，对于浅埋隧道，模型顶面可取至物理对 象顶面；纵向长度要考虑空间效应的影响。
顶面取自由面，底面为双向约束，左右边界为水 平约体单元或壳单元， 锚杆可采用杆单元。
岩土开挖分析
地层损失 初始地应力平衡
主要内容
➢有限元方法简介 ➢有限元在岩土工程中的应用 ➢有限元在结构工程中的应用 ➢有限元在土木工程中的应用前景
有限元方法简介
➢有限元方法的基础是变分原理和加权余 量法，其基本求解思想是把计算域划分 为有限个互不重叠的单元，在每个单元 内，选择一些合适的节点作为求解函数 的插值点，将微分方程中的变量改写成 由各变量或其导数的节点值与所选用的 插值函数组成的线性表达式 ，借助于变 分原理或加权余量法，将微分方程离散 求解。
有限元方法可以有效地解决此类问题，获取 与解析解吻合很好的数值解。
土体固结分析
➢非饱和土的一维固结分析
非饱和土的固结问题是土木工程中经常遇到 的问题，对此有限元程序，如ABAQUS， 可以给出较为精确的数值解。
假定忽略土水特征线的滞回效应。
土的固结分析
➢三轴试样固结分析
对于最普遍的土工试验-三轴试样固结，包 括固结不排水试验和固结排水试验，有限元 程序也可以建立分析模型求解。
土的渗流计算
➢土体减饱和过程分析
基于有限元分析的土木工程结构设计优化
基于有限元分析的土木工程结构设计优化土木工程是研究土木结构设计、建造和维护的学科，其中结构设计是土木工程的重要组成部分。
在土木工程的设计过程中，利用有限元分析作为一种计算工具，可以对结构进行数字模拟和分析，为结构设计提供可靠的支持，最终实现结构设计的优化。
1. 有限元分析在土木工程中的作用有限元分析是一种数值计算方法，它将复杂的结构分割为有限数量的小单元，并对每个小单元进行边界条件和材料特性的设定，然后通过数学和物理的算法来模拟和计算结构的行为。
有限元分析可以预测结构在不同载荷和边界条件下的应力、应变、变形等响应，从而为结构设计提供重要的指导。
2. 有限元分析在土木工程结构设计中的应用有限元分析在土木工程结构设计中具有广泛的应用，例如在建筑物、桥梁、隧道和水坝等项目中。
通过有限元分析，设计师能够优化结构的设计，从而提高结构的安全性、稳定性和经济性。
2.1 结构强度分析在土木工程结构设计中，有限元分析可以用于评估结构在不同载荷情况下的强度。
例如，在桥梁设计中，通过有限元分析可以确定桥梁各个部件的受力情况，进而确定结构的截面尺寸和材料的选型。
2.2 结构稳定性分析有限元分析还可以用于评估结构的稳定性。
对于长跨度桥梁或高层建筑等结构，稳定性是一个非常重要的考虑因素。
有限元分析可以模拟结构在受到外力作用时的变形和位移，进而判断结构是否存在稳定性问题。
2.3 结构振动分析有限元分析还可以用于评估结构的振动特性。
对于桥梁和高层建筑等结构，振动是一个重要的考虑因素。
通过有限元分析，可以预测结构在自然振动频率下的响应，并进一步进行结构设计优化。
3. 有限元分析的优化应用在土木工程结构设计中，有限元分析不仅可以用于评估结构的性能，还可以进行结构设计的优化。
3.1 结构材料优化有限元分析可以模拟不同材料特性下的结构行为，并通过对比分析，选取最优材料以满足设计要求。
例如，在建筑物设计中，可以通过有限元分析来确定适合的混凝土强度等级，以充分利用材料的承载能力，同时保证结构的安全性。
弹塑性力学土木工程应用有限元ABAQUS分析课件
q=100Mpa
k
故应力集中因子为：
Kσφmax 279.42.794 q 100
弹塑性力学土木工程应用 有限元ABAQUS分析
误差分析
每边单元数10，最大应力288 每边单元数15，最大应力299
弹塑性力学土木工程应用 有限元ABAQUS分析
对比分析
网格划分的不同，对数据的拟合具有一定的影响， 划分的密集，计算结果更逼近理论值。
验证小孔处的应力集中系数
K σ φmax q
弹塑性力学土木工程应用 有限元ABAQUS分析
验证
基于结构和荷载的对称性，只 取结构的 1/4 进行分析。
弹塑性力学土木工程应用 有限元ABAQUS分析
验证
圆孔边缘应力最大的部位在
90°处，与理论分析的结果
一致，且最大应力279.4Mpa。
右侧施加的均布荷载为
0.09406
380
0.150
437.00
0.13976
0.13831
400
0.200
480.00
0.18232
0.18072
弹性模量E 3.00E+05
弹塑性力学土木工程应用 有限元ABAQUS分析
PART.03
有限元分析验证
弹塑性力学土木工程应用 有限元ABAQUS分析
平板圆孔应力
σρ
q 2
l0d lllnll0
lnl lnl0l
l0
l0
nom
l l0
lnl0 l0lln1nom
弹塑性力学土木工程应用 有限元ABAQUS分析
名义、真实应力（变） 真实应力与名义应力的关系
nom(1nom)
真实应变与名义应变的关系
在土木工程中有限元运用的实例
在土木工程中有限元运用的实例哎，说起土木工程里有限元法的运用啊，那可真是无处不在，用处多多。
你想啊，土木工程师们天天跟高楼大厦、桥梁隧道打交道，这些玩意儿结构复杂，受力情况也五花八门，光靠经验和直觉，那哪行？所以啊，有限元法就成了他们的得力助手。
我就拿我自己身边的事儿来说吧，前两年我参与了一个大型商业综合体的建设项目，那可真是个大工程，好几栋高楼，底下还有好几层的商业裙楼，再加上地下室，结构复杂得跟迷宫似的。
在设计阶段，我们团队就遇到了一个大难题，就是那个商业裙楼和塔楼交接的地方，受力特别复杂，各种剪力、弯矩、扭矩都搅和在一起，让人头疼不已。
这时候，有限元法可就派上用场了。
我们用专业的有限元分析软件，把整个结构模型建立起来，然后输入各种材料参数、荷载条件，接着就让软件去跑计算。
说实话，那软件跑起来可真是费时费力，得等上好几天才能出结果，但你别说，等结果一出来，那受力分布图、变形图、应力图，一目了然，清清楚楚。
你瞧，那交接处的受力情况，通过有限元分析，我们就能清楚地看到哪些地方应力集中，哪些地方变形过大，这样就能有针对性地优化设计方案。
比如说，我们发现某个部位的应力超出了材料的许用应力，那我们就得加强那里的配筋，或者调整结构尺寸，让应力分布得更均匀一些。
这样一来，整个结构的安全性就大大提高了，咱们心里也踏实多了。
再来说说桥梁工程吧。
我有一次去参观了一座刚建成的大桥，那桥可真壮观，横跨在一条大江之上，气势恢宏。
我跟大桥的设计师聊了聊，他告诉我，在设计这座桥的时候，他们也用了有限元法。
你想啊，那桥那么长，那么重，还得承受各种车辆荷载、风荷载，甚至还得考虑地震的影响，这受力情况得多复杂啊！设计师们就用有限元法对整个桥梁结构进行了详细的受力分析。
他们考虑了各种可能的荷载组合，还模拟了桥梁在各种极端条件下的变形和应力分布。
这样一来，他们就能准确地评估出桥梁的承载能力和安全性，确保大桥在各种情况下都能稳稳当当的。
有限元在岩土水利行业的分析与应用
岩土工程专业是解决各类工程中关于岩石、土的工程技术问题的科学。
虽然岩土工程计算机分析在大多数情况下只能给出定性分析结果，但岩土工程计算机分析对工程师决策是非常有意义的。
开展岩土工程问题计算机分析研究是一个重要的研究方向。
岩土工程问题计算机分析范围和领域很广，随着计算机技术的发展，计算分析领域还在不断扩大。
1、复杂系统的力学变位分析，如高边坡、深基坑、隧道、大型地下洞室、堤防、桩基、码头、大坝、桁架等或其它复杂的非规则实体的变位和内力（应力、应变、拉压弯剪扭等）。
2、土木工程开挖、建筑、回填引起的地基或建筑的应力、变位、渗流、固结、沉降等变化过程仿真。
3、复杂系统的碰撞、打击(打桩)、地震、损伤、裂缝、破碎、屈曲、爆破、地震、蠕变、水击、热分析、热固耦合等高度非线性仿真计算、安全评估等。
岩土介质的力学性质非常复杂，影响其应力和变形的因素很多，例如岩土的结构、孔隙、密度、应力历史、荷载特征、孔隙水及时间效应等等，这种复杂性决定了技术人员在计算有关岩土问题时往往需要做一些针对具体问题的创新性研究或改进。
元计算核心技术pFEPG以高度开放性和广泛适应性非常适合于此类问题的计算。
它可以根据用户需求，用极短的时间来解决问题（例如增加一种新的单元类型，或是增加新的材料本构模型等等），可以方便地人为控制或修改有限元计算过程中的任何一个细节或参数。
而使计算不再是一个黑匣子，保证计算分析正确合理，达到预测并且指导设计施工的目的。
岩土工程领域应用案例：1、在岩土开挖过程中的应用在贵州省索风营水电站地下厂房围岩稳定性三维有限元分析中，利用pFEPG的前处理功能完成地下厂房及地层分布的造型，并用组合网格法进行网格剖分。
计算范围、地层河床及厂房区位置图地下厂房结构及局部地形地质展示图洞室群结构三维有限元网格图软弱结构面fj2、fj5、fj4部分网格图通过pFEPG自动生成并编制了三维的渗流场计算程序，对施工期渗流场进行了初步分析，首次提出计算渗流场自由面的死（活）结点法，该方法实践证明计算简单、效率较高。
基于有限元分析的土木工程结构力学性能研究
基于有限元分析的土木工程结构力学性能研究摘要：随着社会和经济的迅猛提升，为土木工程提供良好发展的机遇，工程项目逐渐向现代化发展方向推进，土木工程结构也日渐复杂化，这是人类生产生活的物质需求，更是人类的精神追求。
随着我国超高建筑、巨型桥梁以及防洪大坝等大型、复杂的工程数量不断增多，为土木工程结构提出更高的要求，需要加大可靠性的深入研究。
有限元分析技术的出现为解决上述问题提供了一种可靠的方法。
近年来，随着计算技术的发展、分析精度和可靠性的提高，以及良好的可视化性能，有限元分析方法在土木工程领域得到了广泛采用。
目前，常用的有限元分析软件主要有ABAQUS、ANSYS、MIDAS 等。
关键词：有限元；土木工程；结构力学；引言土木工程是为人类生产生活提供服务的各种工程设施，随着社会的不断进步和经济的飞速发展，土木工程项目越来越现代化、复杂化，超高层建筑、巨型桥梁、防洪大坝等工程层出不穷，在满足人们物质和精神需求的同时，也对工程结构可靠性提出了更高要求。
1土木工程结构可靠性研究具有重要的意义1.1土木工程结构可靠性的含义分析土木工程结构可靠性是指在规定的实践和条件下，工程结构所具备的安全性、实用性和耐久性。
我国地质与气候情况差异较大，为工程结构设计带来较高的要求，安全性是能够承受在施工和使用期间可能出现的各种作用，并在偶然事件发生时以及发生后结构整体的稳定性；适用性是在正常使用期间内能够发挥良好的工作性能；耐久性为工程结构具有足够的耐久性能，结构在规定时间下完成这三者能力被称为结构的可靠性。
1.2土木工程结构可靠性研究具有现实需求及未来发展的重要意义近年来我国土木工程事故发生较多，例如大型桥梁的折断、建筑房屋的骤然倒塌，为人民的生命财产安全带来重大影响，加大对土木工程结构可靠性的研究，促进土木结构设计水平的不断提升，优化工程企业内部管理，夯实工程施工管理，为实现工程建设提供可靠的保障。
土木工程结构的可靠性是关系着广大人民生命财产安全的关键，是依法建设工程的重要基础，促进工程质量的有力提升，土木工程整体未来可持续发展具有重要意义。
有限元法在钢筋混凝土框架节点中的应用
重庆大学硕士学位论文有限元法在钢筋混凝土框架节点中的应用姓名：***申请学位级别：硕士专业：工程力学指导教师：***20050501摘要有限单元法自诞生之日起就显示出了强大的生命力，尤其是随着近代电子计算机技术的飞速发展，使大型复杂结构的有限元计算成为可能。
有限元法应用于土木工程中，特别是应用于钢筋混凝土这种性质比较离散的复杂材料上，为结构分析和设计都提供了极大的方便。
但是对于复杂的反复加载条件下钢筋混凝土构件性质的模拟，仍有许多问题亟待解决。
本文通过对现有软件的筛选，找出较为有效的有限元程序，对钢筋混凝土结构的实验结果进行模拟，并针对模拟结果中存在的不足之处提出改善的建议，为接下来的研究和新程序的编写提供参考。
本文选择了较有代表性的混凝土框架节点低周反复加载试验作为模拟对象，分别用大型通用有限元程序ANSYS和专门针对钢筋混凝土材料编写的有限元程序VecTor2对其进行了模拟。
作者将模拟结果与实验结果进行了对比，还对两个软件的功能结构与模拟效果进行了比较。
VecTor2程序的模拟结果显示，用有限元程序分析反复荷载作用下的钢筋混凝土结构是可行的，取得了较好的结果。
虽然混凝土材料性质离散性很大，而且在反复荷载作用下的滞回性质更是复杂，但通过对钢筋、混凝土以及二者之间相互作用机理的正确描述，模拟结果是可以达到一定可信度的。
ANSYS用于简单静力加载情况模拟结果是成功的，但是由于ANSYS对混凝土本构模型尤其是滞回模型的定义比较粗糙，无法得到满意的反复加载试验模拟结果。
针对构件滞回曲线的模拟上存在的不足，建议考虑混凝土开裂前后性质变化的裂面效应。
针对有限元软件对混凝土本构模型定义中存在的不足，在深入研究的基础上可采用混凝土损伤本构模型，从而提高模拟的准确性。
关键词：有限单元法，钢筋混凝土，VecTor2，ANSYS，本构模型，滞回曲线ABSTRACTThe finite element method(FEM)is a powerful tool to simulate all kinds of structures.With the development of computer technology in recent years,it’s possible to use FEM to simulate large and complicated structures.Applied FEM to civil engineering to analysis concrete material,it saves us a lot of time and energy to evaluate RC structures.But under reversed cyclic loading condition,there is still much work to do to simulate RC structures properly.Two different programs were tested in order to make some amendment suggestions.The suggestions may help writing new programs and deeper research.The author chose the experiment of joint under reversed cyclic loading to simulate and use VecTor2and ANSYS to model the joint specimens separately.VecTor2is FEM program developed especially for reinforced concrete structure.ANSYS is a commercial FEM program witch is capable of electromagnetic、thermal、structural、CFD etc.analysis.The results of simulation were compared to the experimental results. The two programs were compared too.The analysis results shows that VecTor2is reliable to analysis RC structures under reversed cyclic loading.Concrete exhibit even complicated attributes when applied reversed cyclic loading.Model the specimens with more applicable model of reinforced bar、concrete and the bond relationship between the reinforcement and the concrete can surely improve the simulation precision.ANSYS provides coarse constitutive relationship especially coarse hysteretic model of concrete,compared to VecTor2,so the analytical results may not so satisfactory.But under the condition of monotonic type loading,ANSYS is reliable.Crack effect of concrete was suggested to promote the simulation of hystersis curve of RC members.Damage models were suggested to be used in simulating constitutive relationship of concrete.Keywords:finite element method,reinforced concrete structure,VecTor2,ANSYS, constitutive relationship,hystersis curve1绪论1.1计算机技术的发展在土木工程中的应用随着现代科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展，现代土木工程研究设计手段已趋于多样化和精确化。
有限元基础及应用 曾攀
有限元基础及应用曾攀有限元基础及应用是一门涉及到工程结构和材料力学的专业课程。
该课程主要介绍有限元方法的原理和应用，以及其在工程领域中的实际应用。
下面将从有限元方法的基本原理、应用领域、建模步骤以及优缺点等方面对该课程进行详细介绍。
有限元方法是一种用于求解结构问题的数值计算方法，它将整个结构划分为有限数量的子结构，然后利用数学建模和计算机仿真的方法，对每个子结构进行力学分析并求解每个子结构的位移、应力和应变等力学量。
最终通过组合各个子结构的力学结果，得到整个结构的力学行为。
有限元方法具有广泛的应用领域，包括机械工程、航空航天工程、土木工程、电子工程等。
在机械工程中，有限元方法可以用于优化设计和性能评估，例如在汽车工业中，可以利用有限元方法对车身结构进行强度分析和刚度评估。
在土木工程中，可以利用有限元方法对建筑物的结构进行分析和优化，保证其安全性和稳定性。
在应用有限元方法进行建模分析时，一般需要按照以下步骤进行：首先，确定需要分析的结构或材料，对其进行几何形状和材料性质的建模。
然后，将结构或材料划分为有限数量的小面积元素，并确定每个元素的属性和约束条件。
接下来，利用数学模型，通过求解方程组的方法，得到每个元素的位移、应力和应变等力学参数。
最后，通过组合各个元素的力学参数，得到整个结构或材料的力学行为。
有限元方法具有以下优点：首先，它能够精确地描述复杂结构或材料的力学行为，提供更真实的工程分析结果。
其次，有限元方法可以进行参数化分析，即通过修改参数，探索不同设计方案的优劣，帮助工程师进行优化设计。
此外，有限元方法还可以对结构或材料的疲劳寿命进行预测，指导实际应用中的维护和修复。
然而，有限元方法也存在一些缺点。
首先，有限元方法的计算量较大，需要借助计算机进行计算和模拟，这增加了计算成本和时间成本。
其次，有限元方法对模型的准确性和网格划分的要求较高，不合理的模型或划分可能会导致错误的结果。
此外，有限元方法在处理非线性和大变形问题时可能存在一定的局限性，需要进一步改进和拓展。
有限元技术在土木工程中的应用研究
有限元技术在土木工程中的应用研究
有限元技术是一种计算方法，通过把实际结构分割成许多小的单元，
然后在每个单元内进行分析来确定结构的行为。
在土木工程中，有限元技
术广泛应用于各种结构的分析和设计。
通常，有限元分析可以用于以下领域：
1.结构分析。
有限元技术可以用于分析钢筋混凝土结构、钢结构、混凝土结构等结
构的受力情况，确定最优的结构设计方案。
2.基础工程。
有限元技术可用于地基工程中，通过分析地基在荷载作用下的响应，
判断地基的稳定性，预测地基变形情况。
3.地震工程。
有限元技术可以用于地震工程中，通过分析地震作用下结构的响应，
确定结构的抗震性能。
4.桥梁工程。
有限元技术广泛应用于分析和设计各种桥梁结构，例如悬索桥、拱桥、梁桥等。
总之，有限元技术在土木工程中具有广泛的应用前景，为工程师提供
了更准确、可靠的分析和设计工具。
基于土木工程专业的有限元分析课程的教学改革探讨
基于土木工程专业的有限元分析课程的教学改革探讨摘要：基于土木工程专业的有限元分析课程需要结合工程实际，要求学生在学习基本理论的基础之上，还要掌握软件的建模计算；因此，在教学的过程中需要注意理论和实际建模的结合、教学内容的合理设置、教学方式方法的改进等等，以此来提高教学质量，同时培养学生的创新思维，使学生养成独立思考的习惯，并初步具备处理工程问题的能力。
关键词：土木工程，有限元，教学方式，综合能力有限元分析课程需要从数学力学基础、计算机软件、工程应用几个方面开展教学工作，使学生从较高层次(数力原理)上理解有限元方法的实质，掌握有限元分析的工具，并具备初步处理工程问题的能力。
一、该门课程教学中的常见问题该门课程需要结合工程实际，在学习有限元基本理论的基础之上，还需熟悉和掌握一到两个有限元分析软件，来对实际的工程结构进行建模计算。
而有限元软件的教学又分为几何建模、单元划分、约束处理、外载处理、参数设定、计算设定以及结果分析等环节。
因此，该门课程的教学内容多，理论和软件相结合的教学难度较大，在传统的课程教学中主要的做法是将教学内容分为两个部分：一个是有限元的基本理论，二是基于有限元软件平台的建模计算。
结合实际的教学情况，主要有以下几个问题值得探讨：（1）首先是教材的选用问题，合适的有限元教材难选，同时由于有限元理论本身的基础知识部分，需要有一定的弹性力学和数学基础，如何有选择性的把较为抽象的力学和数学部分逐步引入并联系、过渡到有限元部分，是一个不易把握的方面；在教学过程中，学生对于做为基础的力学和数学部分的兴趣也不浓，因此选用合适的参考书籍尤为重要。
（2）其次是要考虑到有限元知识领域的进步与软件的更新换代，前述的几本参考书籍有的编写年份较早，对于有限元分析的基本原理部分的学习是合适的，毕竟基本原理不会有太大变化，但基于基本原理而来的软件平台则不停的在更新换代，以著名的大型通用有限元软件ANSYS为例,在最初几代的时候，只有经典界面，其建模和后处理都较为专业，不太适合工程上的应用和推广，在后期为适应工程应用的需求，又开发了适合工程人员操作的workbench界面，其适合不同材料和结构需求的单元类型也在不断更新，最新的ANSYS版本已经有2022版；其他的软件平台都有类似的情况，都在不停的更新换代。
有限元法在土力学中的应用
有限元法在土力学中的应用在很多岩土工程的实际问题中, 例如档土墙、板桩、基础梁和板等工程, 由于岩土的非均质、非线性的性状以及几何形状的任意性、不连续性等因素, 在多数情况下不能获得解析解。
最近二十多年来, 随着电子计算机的迅速兴起, 在岩土工程中, 数值分析受到了极大的重视, 各种数值方法在岩土工程中都得到了广泛地应用, 而岩土工程中的各种复杂问题的解决又深化和丰富了数值分析的内容。
目前. 在岩土工程的数值分析中, 用的最为普遍的是有限元法和差分法, 其他方法如边界元法正在兴起。
变分法与加权余量法既可以独立地作为数值方法运用于土工实际问题的求解, 又可作为推导前几种数值方法的手段。
当数值分析中的差分法首先盛行于工程科学时, 土工中的渗流及固结问题在四十年代后期也开始采用差分法成功地解决了某些实际问题, 如土坝渗流及浸润线的求法、土坝及地基的固结等。
五十年代及六十年代初, 弹性地基上的梁与板以及板桩也用差分法来求解。
六十年代, 土石坝的静力问题用有限元法来求解。
由于有限元解法的灵活性, 使差分法在土工中的应用暂时趋丁停滞。
进入七十年代之后, 土石坝及高楼(包括地基)成功地使用有限无法解决了抗震分析。
七十午代后期及八十年代, 边界元法异军突起。
这方法特别适宜于半无限域课题, 这些是土力学及地基工程学科经常遇到的边界情况。
近十年来, 地基的静力及动力问题, 例如桩基及强夯(即动力固结)等, 都使用边界元法得到了有效地解决。
有限元法是一种十分有效的数值分析方法。
它有几个突出的优点: (1)可以用于解非线性]问题, (2)易于处理非均质材料, 各向异性材料, (3)能适应各种复杂的边界条件。
岩土材料恰恰存在这几方面的问题, 因此很适宜采用有限元法。
有限元法刚刚发展起来, 就引起了岩土力学界的浓厚兴趣。
1966电美国克技夫(C1ough)和伍德沃德(Woodward)首先将有限无法应用于土力学, 作了土坝的非线性分析。
abaqus土木工程实例
abaqus土木工程实例摘要：一、引言二、Abaqus 软件介绍三、Abaqus 在土木工程中的应用实例1.钢筋混凝土结构分析2.岩土工程分析3.钢结构分析四、Abaqus 在土木工程中的优势五、结论正文：一、引言随着我国土木工程建设的快速发展，对于土木工程分析软件的需求越来越高。
Abaqus 作为一款功能强大的有限元分析软件，广泛应用于各种土木工程领域。
本文将介绍Abaqus 软件在土木工程中的应用实例。
二、Abaqus 软件介绍Abaqus 是一款由法国公司Dassault Systemes 的SIMULIA 品牌推出的有限元分析软件，具有强大的分析能力和丰富的模型类型，可以满足从线性到非线性、从静力到动力等多种分析需求。
Abaqus 主要包括以下模块：1.Abaqus/Standard：用于线性和非线性静力分析；2.Abaqus/Explicit：用于显式非线性动力分析；3.Abaqus/Dynamic：用于线性动力分析；4.Abaqus/Structure：用于结构建模和分析；5.Abaqus/Mesh：用于网格划分和优化。
三、Abaqus 在土木工程中的应用实例1.钢筋混凝土结构分析在钢筋混凝土结构分析中，Abaqus 可以模拟混凝土的强度发展、钢筋的屈服和混凝土的裂缝扩展等过程。
通过Abaqus，工程师可以评估结构的安全性能、确定合理的钢筋配置和混凝土强度等级，从而优化结构设计。
2.岩土工程分析Abaqus 可以对岩土工程中的地基、边坡、隧道等结构进行非线性分析，考虑土体的本构关系、地基土与基础之间的相互作用以及地下水的影响。
这有助于评估岩土工程的稳定性和安全性，为设计提供依据。
3.钢结构分析Abaqus 可以对钢结构进行强度分析、屈曲分析、疲劳分析等，考虑钢结构的材料性能、几何特征和边界条件。
通过Abaqus，工程师可以评估钢结构在各种工况下的性能，确保结构的安全可靠。
四、Abaqus 在土木工程中的优势1.强大的分析能力：Abaqus 可以处理各种复杂的模型和边界条件，提供准确的计算结果；2.丰富的模型类型：Abaqus 支持多种材料模型和接触关系，满足不同土木工程领域的需求；3.高性能计算：Abaqus 采用高效的计算方法和优化算法，缩短分析时间，提高工作效率；4.与工程实践紧密结合：Abaqus 提供丰富的案例教程和专业技术支持，帮助工程师解决实际问题。
无网格法与有限元法的耦合在土木工程中的应用研究
应 用科 学
蒜霸
无 网格法 与有 限元 法的耦 合在土木工程 中的应用研究
宋伟峰 ，陈 雷
（ 安徽 淮南 矿业集团选煤厂 ，安徽淮南 ２ ２ ４ ３ ０ ７）
摘 要 采用 无网格Ｇ ｌ ｋ 方法与有 限元 （ Ｆ — Ｅ） ａ ｒｉ ｅ ｎ Ｅ Ｇ Ｆ 耦合 的方 法来计算裂 纹问题 。这种 耦合 的方法 不仅解决 了无 网格Ｇ ｌ ｋ 法力学边界 ａ ｒｉ ｅ ｎ 条件施加的难点 ，而且还克服 ｒ 网格 Ｇｌｒｉ 无 ａｅ ｎ ｋ 法耗 时较多的缺点 。数值计 算结果表 明了方法的有效性 。 关键 词 无 网格Ｇ】 ｋ ；Ｅ ’—Ｅ ａｅ ｍ法 ｒ Ｆ Ｆ Ｇ 中圈 分类 号 Ｔ ３８ 文献 标识 码 Ａ 文 章编 号 １７—６ １（ １） １０３— １ Ｕ４ ６３ ９７一 ０００ — １４０ ２ ８
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图２单边裂纹有限板
式中 ， ， ） Ｆ —Ｅ （ ￣Ｅ Ｇ Ｆ 耦合方法的形函数 ｘ ２ 算例
如图２ 所示 为具 有单 边 裂纹 的有 限板 。板 宽 度 Ｗ＝１ ｍ，高 度
Ｌ２ ＝ｍ，裂纹长度ａ０ ｍ ＝Ｐ。设其 处于平 面应力状 态，弹性模量 ＝． ， ４ ｌａ
斯 积分 。
限蘼 元
图３网格的划分及节点 的布置 表１不同基函数下不同回 的Ｊ 路 积分
ｐ （／ Ｎｍ）
Ｊｌ
Ｊ２ Ｊ３
用此方法计 沿四条不 同回路 的积ｙ￣ ，这四条回路分别为 ： 算 ｊ， －
ｒ ｌ （ ４８， ０）一 （ ４８， ０ ０ ： ０． ０． ． ８） （ ．２ Ｊ０ 一 （ ． ，－ ． ）一 （ ．８ Ｏ ，－ ． ３ Ｄ ８） ０８ ０８ ４ ０ ０４ ，０） （ ３ ０． ２， ０ ０８） ．
python在土木工程方面的应用
python在土木工程方面的应用Python是一种通用编程语言，具有广泛的应用领域，包括土木工程。
以下是一些Python在土木工程方面的应用：1.结构分析和设计：Python可以用于进行结构工程的分析和设计。
使用诸如NumPy、SciPy和pandas等库，工程师可以开发自己的结构分析工具，进行静态和动态分析，计算结构的应力、位移和挠度等。
2.地震工程：Python可以用于地震工程的模拟和分析。
工程师可以使用地震记录和地震波形分析库，来评估建筑物和结构对地震的响应，并进行地震风险分析。
3.有限元分析：Python可以用于进行有限元分析（Finite ElementAnalysis，FEA），用于建模和分析结构、材料和流体等。
开源的Python有限元分析软件如FEniCS和OpenSees提供了丰富的工具和库。
4.土力工程：Python可以用于土力工程项目的分析，包括土壤力学、基础设计和地下水流动分析。
各种地质和土壤工程库可用于处理这些问题。
5.自动化和数据分析：Python可以用于自动化土木工程任务，如数据采集、处理和可视化。
它还可以用于监测和控制系统，以改善土木工程项目的效率和安全性。
6.CAD和GIS：Python可以用于自动化CAD（计算机辅助设计）和GIS（地理信息系统）任务。
它可以帮助工程师更好地管理地理信息、绘图和地形数据。
7.项目管理和计划：Python可以用于项目管理和计划，包括资源分配、进度追踪和成本控制。
它可以帮助工程师更好地管理土木工程项目。
8.水资源工程：Python可以用于水资源工程，包括水文模型、水文数据分析和水资源管理。
9.材料分析：Python可以用于土木工程中的材料分析，包括混凝土、钢材和其他结构材料的性能评估。
总的来说，Python是一种功能强大且灵活的编程语言，可以用于土木工程的各个方面，从结构设计和分析到项目管理和数据处理。
工程师可以根据具体需求开发自己的工具和应用程序，以提高工作效率和准确性。
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对于非饱和土体，土中水主要受基质势和重 力势的影响，当基质势大于重力势，土中水 将在基质的吸力的作用下上升，产生毛细现 象。有限元程序同样可以解决此类问题，并 可以与土体变形相耦合。
土的渗流计算
坝基渗流
一般的商用有限元程序都可以计算土中水的 稳定渗流，此即水渗流和土体变形的耦合分 析，当只分析水渗流时可以约束土体的自由 度。
人工岛和进海路
在浅海的油田开发中，人工岛和近海路 的建设是很重要的开发环节。采用有限 单元法，可以模拟两者的施工过程并计 算最终沉降，指导现场施工。
大型储油罐沉降计算
对于大型储油罐的建设，沉降控制是一 个很重要的因素。有限单元法可以模拟 求解施工沉降和最终沉降，以改善设计。
边坡稳定性分析
岩土开挖分析
地层损失 初始地应力平衡
关键在于保持总体坐标与ABAQUS默认的系统 坐标相一致：对于平面模型，Y轴为竖直方向； 对于三维模型，Z轴为竖直方向。
隧道超前支护
隧道施工中超前支护一般采用管棚或注浆小导管， 形成一个环状的加固层。
岩土开挖分析
隧道开挖与支护
模拟隧道开挖的方法主要有两种：反转应力法与 刚度折减法，反转应力法就是在开挖边界上施加 一“等效释放载荷”，通过等效释放载荷的分级 释放，模拟不同的施工过程。刚度折减法是通过 不断折减被挖对象的刚度来模拟隧道的开挖过程。 隧道不同埋深的处理
对于非相关联的流动法则，要确保塑性材料的刚 度矩阵不对称。
边坡稳定性分析
抗滑桩加固土坡稳定性分析
工程中广泛应用的极限平衡法不能满足静力 许可内立场的基本条件，而有限单元法通过 单元离散，应用弹性和弹塑性对边坡进行分 析，能反映桩土之间相互作用的真实机理。 同样可以采用刚度折减技术
土的渗流计算
岩土开挖分析
隧道开挖和支护过程
把问题简化为平面应变问题，建立2D平面 模型；
通过对不同模型方案的对比，可以选出最优 化的施工方案； 像ABAQUS这样的有限元程序提供的ADD 和REMOVE功能可以很方便地实现开挖和 支护过程，且操作方便、计算速度快。
岩土开挖分析
隧道开挖过程的三维模拟
土坡稳定分析
与传统的极限平衡法相比，有限单元法分析 边坡稳定性具有全面满足静力许可、应变相 容和应力-应变之间本构关系的优点； 土体采用弹塑性的莫尔-库伦模型，采用刚 度折减法分析边坡稳定性。
边坡稳定性分析
节理岩石边坡稳定性分析
关键在于节理材料参数的准确定义和求解控 制：
当节理面张开时，假定材料在裂隙的法向不具有 弹性刚度，这将造成不同的裂隙组合可能会在任 何时侯屈服，所以求解过程的收敛性是非单调的， 因此应采用适当措施防止迭代过程的过早结束。 在开挖接近结束时，应设置最小迭代步长，以避 免无效的迭代。
有限元在岩土工程中的应用
土的渗流计算 土体固结分析 桩土共同作用分析
岩土开挖分析
基坑开挖
考虑对称性， 计算区域取基坑的一半； 把问题简化为平面应变问题； 假设计算土体为一层均匀土体； 每开挖一定深度就要设置一定支撑。
岩土开挖分析
考虑渗流和变形耦合的基坑开挖
在软土地区开挖基坑时，地下水渗流对基坑 工程性状的影响不容忽略，基坑开挖卸载在 坑底和周围的土体内产生负的孔隙水压力， 并随着每步开挖结束后暴露时间的增加逐渐 消散；同时，地下水在坑内外水头差的作用 下发生渗流。所以在地下水位高时，基坑开 挖将伴随着开挖卸载、坑内外水头差的变化、 超静孔隙水压力消散的耦合过程。
主要内容
有限元方法简介 有限元在岩土工程中的应用 有限元在结构工程中的应用 有限元在土木工程中的应用前景
有限元方法简介
有限元方法的基础是变分原理和加权余 量法，其基本求解思想是把计算域划分 为有限个互不重叠的单元，在每个单元 内，选择一些合适的节点作为求解函数 的插值点，将微分方程中的变量改写成 由各变量或其导数的节点值与所选用的 插值函数组成的线性表达式 ，借助于变 分原理或加权余量法，将微分方程离散 求解。
有限元方法简介
有限单元法根据其未知变量的设置类型 可分为三种方法：
位移法有限元（以 单元节点位移为基本未 知量） 力法有限元（以单元节点力为基本未知量）
混合有限元（部分节点力和部分节点位移作 为基本未知量）
有限元在岩土工程中的应用
岩土开挖分析 地下储油库 岩石爆破 人工岛和进海路 大型储油罐沉降计算 边坡稳定性分析
− 对于隧道的不同埋深，可以先建立一个均匀埋深的隧 道，然后通过在模型顶面施加不均匀的分布力，以此 来模拟隧道不同的上覆岩层厚度。
地下储油库
地下储油库的开挖和隧道的开挖有许多 相似之处，同样可以应用有限单元法进 行模拟，以选择最佳的设计和施工方案。
岩石爆破ห้องสมุดไป่ตู้
在隧道开挖等岩体工程中，爆破也是经 常使用的一项技术，用有限单元法可以 模拟出爆破给岩石和原有洞穴带来的影 响，据此选择最有利的爆破地点和爆破 强度。
土的渗流计算
土体减饱和过程分析
用有限元程序可以实现模拟土体减饱和过程， 以测量不同时刻土体内孔隙水压力值。 两种情况的减饱和：
不考虑土体变形，即非耦合渗流 考虑土体变形，即耦合渗流
土的渗流计算
土坝渗流自由面的计算
在土坝、堤防以及边坡等的渗流分析中，均 存在渗流自由面，即浸润线的问题。通过有 限元计算分析，可以确定渗流自由面的位置， 为后续计算提供依据。
模型尺寸及边界条件
隧道模型横断面尺寸可根据情况取7~10倍的隧 道直径，对于浅埋隧道，模型顶面可取至物理对 象顶面；纵向长度要考虑空间效应的影响。 顶面取自由面，底面为双向约束，左右边界为水 平约束，前后边界为水平约束。
单元选择
围岩采用实体单元，衬砌采用实体单元或壳单元， 锚杆可采用杆单元。
土的渗流计算
水库水位升降对土坝渗流的影响分析
水库的蓄水和排水过程是典型的非饱和土渗 流问题，有限元方法可以对水库水位升降过 程中堤坝内孔隙水压力的分布进行分析，为 后续的堤坝稳定验算和渗流量计算提供依据。