基于ABAQUS的管土相互作用计算方法研究
基于ABAQUS的桩侧摩阻力仿真分析
基于ABAQUS的桩侧摩阻力仿真分析摘要:采用ABAQUS软件模拟桩土相互作用中的接触问题，利用ABAQUS软件中的主一从接触算法，在桩侧与土体之间建立接触对;对桩身采用弹性模型，土体采用摩尔一库仑模型进行模拟，并考虑初始地应力的影响。
通过计算，得到了桩侧摩阻力的分布情况，在算例中模拟了某试桩工程的桩侧摩阻力和桩顶总沉降，与现场测试结果相一致。
关键词:桩土相互作用;桩侧摩阻力;沉降;ABAQUS0 引言桩基设计的核心问题，不外是沉降和承载力两个方面。
在以往的设计中，似乎桩侧摩阻力只是一个固定不变的值，而且往往估计过小。
事实上，桩侧摩阻力的值是随着桩顶载荷，以及深度等各种因素而变的，而且深度效应较为明显。
对于摩擦型单桩，其承载力主要由桩侧摩阻力承担。
所以，正确分析和计算桩侧摩阻力的分布及影响因素至关重要。
传统的方法是做桩的破坏性载荷试验。
然而，做桩的现场载荷试验既费工又费钱，尤其对于大直径桩，要进行这类试验需施加很大的试验载荷，无论是加载条件，还是试验技术都很困难。
如何根据室内试验得到的有关资料，利用仿真分析的方法来确定桩侧摩阻力作用情况，进而确定桩的竖向承载力，是值得广泛关注的问题。
1 建立桩土计算模型在考虑土的非线性、桩周土分层、桩土间非线性相互影响、桩端有存渣、桩端及桩侧注浆加固、桩长及桩直径变化等因素时，有限元法是现阶段最适用的方法，它能解决由于试桩困难及实测费用大而无法大量进行的问题。
1.1 有限元模型ABAQUS的接触模拟中，要在模型中的各个构件上建立表面，并建立接触对，采用主一从(Master-Slave)接触算法。
选择主、从表面的原则是从属表面的网格划分更加精细，若网格密度相近，则应选择较柔软的材料表面为从属表面。
因此，这里选择土体表面为从属表面，如图1所不。
图1 接触面模型在几何模型上，用大尺寸来模拟半无限空间体，计算时土体的半径远大于桩横截面的半径(如土体半径取为桩横截面半径的40^-60倍)。
基于ABAQUS的桩土共同作用的数值模拟
文章编号：1004-3918（2009）08-0974-03基于ABAQUS 的桩土共同作用的数值模拟陈晶（南京农业大学工学院，南京210031）摘要：运用ABAQUS 软件对桩土结合模型进行了数值仿真.利用ABAQUS 中的主－从接触算法，在桩身与土体之间建立接触对，对桩身采用弹性模型，土体采用扩展的Drucker-Prager 模型进行模拟，并考虑初始地应力的影响.通过计算得到竖向载荷作用下桩的轴力分布曲线和沉降曲线.在算例中模拟了江苏某大桥N1号试桩，结果与现场实测值相近.关键词：桩土结合；轴力；沉降；ABAQUS 中图分类号：TU 473．1＋2文献标识码：A桩土相互作用是一个相当复杂的工程问题.为了确定单桩完整的荷载－沉降关系，即P－S 曲线，传统的方法是做桩的破坏性荷载试验.然而对于大直径桩要进行这类试验，无论从加载条件还是从试验技术上都具有很大难度.如何根据现场试验得到的有关资料，通过快速全面的数值仿真分析，确定可靠的桩的荷载—沉降关系，是广泛关注的问题[1-2，5].1有限元模型ABAQUS 的接触模拟中，要在模型中的各个构件上建立表面，并建立接触对，采用主－从（Master－Slave ）接触算法.选择主、从表面的原则是：从属表面的网格划分更加精细；若网格密度相近，应选择较柔软的材料表面为从属表面.这里选择土体表面为从属表面，如图1.在几何模型上，用大尺寸来模拟半无限空间体，计算时土体半径远大于桩横截面的半径（如土体半径取为桩横截面半径的40～60倍）.对于单个的大直径超长桩的轴向受荷有限元分析，可简化为轴对称平面问题进行计算.本文采用4结点双线性轴对称单元.为了减小计算误差，同时也为了缩短计算时间，在桩土接触面附近单元网格划分的较细，而在远离接触面的土体，网格划分相对稀疏，如图2.对桩体采用弹性体分析，土体采用弹塑性体分析.ABAQUS 里提供了多种塑性本构模型[3-4]，这里采用工程上常用的摩尔－库仑模型.ABAQUS 可以考虑侧向土压力系数，在*INITIAL CONDITIONS 中设置初始地应力及侧压力系数，并可在*GEOSTATIC 中实现平衡[6].2算例江苏某大桥主桥采用主跨1088m 的双塔斜拉桥，专用通航孔采用140＋268＋140m 连续钢箱梁，引桥分别为跨径75，50，30m 的等高度预应力砼连续梁桥.大桥试桩工程共为6根钻孔灌注桩，其中北岸3根，直径分别为1，1，1．8m ；南岸3根直径均为1．5m .这里对北岸N1试桩的桩身轴力和沉降进行数值仿真.根据现场实测数据，几何计算数据如下表1、表2所示，土体的半径取为30m ，远大于桩的半径；侧向压力系数0．85.收稿日期:2009-03-04作者简介:陈晶（1980-），男，江苏南京人，助教，硕士，研究方向为岩土的数值分析方法.第27卷第8期2009年8月河南科学HENAN SCIENCEVol.27No.8Aug.20092009年8月表1N1试桩材料参数Tab．1Material parameters of N1test pile表2土层材料参数Tab．2Material parameters of soil2．1轴力计算图3为各级载荷下桩身的轴力分布.图3（a ）～（c ）为3级载荷作用下，桩身轴力实测值与ABAQUS 模拟计算值的比较.从图3中可看出，模拟曲线与实测曲线吻合的很好；而且在其余各级载荷下都能得到理想的模拟曲线.图3（d ）为不同载荷下模拟计算值的比较.由图可以看出，轴力沿桩传递逐渐减小，在桩端处均约为零，说明桩的中上部分承担了绝大部分载荷.该桩表现出较明显的摩擦桩的特性.图3各级载荷下桩身的轴力分布图Fig.3Axial-force with different loads2．2沉降计算由于N1试桩属于摩擦桩且桩身较长，桩底反力较小，桩端土压缩可忽略不计，桩顶沉降按桩身压缩量分段叠加计算.根据钻孔灌注桩载荷传递公式，各段桩身压缩量按下式计算△x =x0乙（P-τ·π·d ·x ）EAd x ，式中：△x 为桩身压缩量（mm ）；P 为分段桩身顶部载荷（kN ）；τ为分段桩身平均侧摩阻力实测值（kPa ）；d 为桩径（m）；x 为分段桩身计算长度（m ）；EA 为桩身刚度（MPa ）.试桩编号直径/m 桩顶标高/m桩端标高/m 桩长/m 弹性模量/GPa泊松比N11 2.2-73.876300.2层数土层名称密度/（g ·cm -3）变形模量/MPa 泊松比粘聚力/kPa 内摩擦角/（°）极限摩阻力/kPa 底层标高/m 1粉砂，亚粘土1.8920.570.3715.025.837.42-21.82粉砂 1.9123.850.339.031.151.25-29.33亚粘土 2.0524.130.4183.018.450.68-50.84粉砂 1.9330.830.3132.531.380.08-58.85细砂1.9632.120.3232.032.323.71-100.0（b ）载荷4000kN 时的轴力深度/m020406080轴力/kN深度/m020406080（c ）载荷6000kN 时的轴力轴力/kN深度/m（d ）各级载荷时的轴力分布轴力/kN深度/m020406080（a ）载荷2000kN 时的轴力轴力/kN陈晶：基于ABAQUS 的桩土共同作用的数值模拟975--第27卷第8期河南科学将试桩的沉降的模拟值、计算值以及实测值绘制P－S 图.从图4中可看出，模拟值与计算值均大于实测值，其原因为：第一，在获取土层的计算参数时，综合分析了工程地质勘察报告、经验公式、室内试验结果等多方面数据.为了使参数取值更加合理，去掉了最大值和最小值，然后加权平均确定土层参数.总体来看，取值还是保守的，也就是说，数值模拟的沉降较实测值偏大.第二，可能是由于试桩施工时的部分充盈所致.相对于公式计算的结果，ABAQUS 的模拟值更加逼近实测值.3结语桩土共同作用是复杂的非线性问题，目前国内利用ABAQUS 软件进行分析的工作相对较少.本文利用ABAQUS 分析了某大桥N1试桩的轴力和沉降，计算结果与实际相吻合，说明ABAQUS 对桩土相互作用的高度非线性问题有着很好的处理能力.参考文献:［1］蒋建平，高广运，汪明武．大直径超长桩有效桩长的数值模拟［J ］．建筑科学，2003，19（3）：27-29．［2］李晋，冯忠居，谢永利．大直径空心桩承载性状的数值仿真［J ］．长安大学学报：自然科学版，2004，21（4）：36-39．［3］朱向荣，王金昌．ABAQUS 软件中部分土模型简介及其工程应用［J ］．岩土力学，2004，25：144-148．［4］Hibbitt ，Karlsson ＆Sorensen ，Inc．ABAQUS /Standard User ’s Manual ；ABAQUS /CAE User ’s Manual ；ABAQUS Keywords Manual ；ABAQUS QUS Theory Manual ［M ］．美国：HKS 公司，2002．［5］潘冬子，李颖，黄正华．桩土体系相互作用的计算机仿真分析［J ］．煤田地质与勘探，2004，32（4）：44-47．［6］陈晶，高峰，沈晓明．基于ABAQUS 的桩侧摩阻力仿真分析［J ］．长春工业大学学报，2006（3）：27-29．The S imulation of P ile-S oil I nteraction U sing ABAQUSC hen Jing（College of Engineering ，Nanjing Agricultural University ，Nanjing 210031，China ）Abstract:In this paper ，ABAQUS software is used to simulate interaction between pile and soil．The pile-soil contact pair is built by the master-slave method．The model of pile is elastic ，and modified Drucker-Pragerelastic-plastic model is applied to soil．The initial stress is also considered．For example ，the N1test-pile of a bridge is simulated．And the axial forces and settlements of the pile under the top loads are given．The results show that ABAQUS is available for simulation of pile-soil interaction．Key words:pile-soil interaction ；axial forces ；settlement ；ABAQUS图4P－S 曲线Fig．4P－S curve沉降/m m载荷/kN976--。
基于ABAQUS软件的相邻地铁车站动力相互作用时程分析
基于ABAQUS软件的相邻地铁车站动力相互作用时程分析李纵横;董瑞【摘要】针对地震荷载下相邻的两个地下结构之间会产生相互作用对地下结构的内力产生的影响,基于有限元软件ABAQUS,对不同场地条件下的两个相邻地铁车站进行动力时程分析.结果表明在坚硬土层中,1倍结构宽度以内,两个地下结构的相互作用会对地下结构内力产生较大的增幅;而在软弱土层中,两个地下结构相互作用会在一定程度上减小各自的结构最大内力.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2019(045)013【总页数】3页(P31-33)【关键词】ABAQUS;地铁车站;时程分析【作者】李纵横;董瑞【作者单位】中国地震局工程力学研究所,黑龙江哈尔滨 150080;中国地震局工程力学研究所,黑龙江哈尔滨 150080【正文语种】中文【中图分类】TU3110 引言结构—土—结构相互作用(SSSI)，是土木工程尤其是地震工程中研究的热点问题[1]。
而目前针对SSSI的研究，绝大多数都集中在地上高层结构，以及地上结构与相邻地下结构之间的相互作用。
本文利用ABAQUS进行时程分析，来研究地震荷载下两个邻近地铁车站之间的结构—土—结构相互作用规律。
1 计算模型及输入地震动1.1 计算模型本文采用较为常见的二层三跨地铁车站模型[2]进行建模分析，车站宽度为21.2 m，高13 m。
顶板厚度为0.7 m，中间板厚为0.4 m，底板及中间墙厚均为0.8 m。
结构材料采用C30混凝土，杨氏模量E=3.45×104 MPa，泊松比v=0.2，具体结构如图1所示。
车站埋深5 m，用于计算的土体厚度为30 m，两个车站共存的地下结构如图2所示。
根据以往的经验，一般结构—土—结构相互作用表现在1倍结构宽度内较为明显；因此本文每隔2 m取一个数据点作为样本，可以得到较为完整的相互作用随间距变化的关系曲线。
模型的材料及单元类型均采用ABAQUS单元库中自带的材料和单元。
基于ABAQUS的钢板与混凝土接触问题研究_陈智峰
接触过程通常是依赖于时间，并伴随着材料非
线性和几何非线性的演化过程。特别是接触界面 的区域和形状以及接触界面上运动学与动力学的
状态也是事先未知的。这些特点决定了接触问题 通常采用增量方法求解。ＡＢＡＱＵＳ／Ｓｔａｎｄａｒｄ 接触算 法［４（］ 见图 １），主要是利用牛顿 － 拉普森方法建立
２０２ 科技研究
城市道桥与防洪
科技研究 ２０３
表 2 各处理方法对计算结果的影响
处理方 式
整体竖 向位移
／ｍｍ
整体水 平位移
／ｍｍ
钢箍 ｍｉｓｅｓ 应 力 ／ＭＰａ
混凝土最 大拉应力
／ＭＰａ
出现 位置
混凝土最 大压应力
／ＭＰａ
钢－ 混 ０．５７１ ５ ０．３２５１ １４９．８
接触
９．６５９ 下端 ２３．５６
钢－ 混 ０．３８７ ６ ０．１２１
０ 引言
接触问题［１］广泛地出现在土木工程中。如桥梁 梁体与橡胶支座的接触、桩基础与土的接触、钢板 与混凝土的表面接触等等。对于工程上的接触问 题数值分析，工程师为了方便计算一般都把该问 题简化为接触体间共用节点，但是这种处理方法 往往不能正确反映模型的实际力学行为。工程上 的接触问题较为复杂，许多工程问题含有两个或 者多个部件间的接触，在这类问题中，当两个物体 接触时，存在沿接触面的法向且作用到接触面上 的力，如果接触面间存在摩擦，可能会产生抵抗物 体间切向运动的剪力。对于复杂的工程接触问题， 往往还需考虑到各种不同形状的物体与结构相接 触，考虑物体弹塑性、蠕变及各种物理因素的变 化，考虑接触间的摩擦力和考虑物体惯性的碰撞 接触问题等等。
在 ＡＢＡＱＵＳ 中的接触模型或者是基于表面或 者是基于接触单元［５］。首先必须判断模型的部件哪 一对面可能发生彼此接触，然后创建可能发生接 触的接触对。最后定义控制各接触面之间相互作 用的本构模型。而且在接触分析过程中，需考虑多 个因素，比如：接触面单元网格、足够的约束条件、 合理的定义接触面、接触参数等。
ABAQUS二次开发在顶管开挖面分析模拟中的应用
3 工程算例分析
3.1 工程概况 模型算例采用模型为天津地铁 4 号线西沽公园站 C
号出入口过街顶管通道。该出入口为地下一层结构，采 用顶管内径为 6m，外径为 6.9mm，顶管底埋深 11m， 覆土约 6.7m，管道材质为钢筋混凝土预制管，全长约 65m。 3.2 工程地质和水文地质
建设科技 ∣ 103
交流探讨
建设科技
3.3 计算模型
顶管开挖面数值计算模型如图 4 所示。模型长度为 100m，宽度为 50m。为模拟土体的固结，土体单元类 型选用包含一个孔压自由度的 CPE4P 单元；而管片和 泥浆层则选用 CPE4 单元。土体左右两侧约束 x 方向位 移，底部边界约束 y 方向位移，顶部设置表层孔压为 0 以模拟孔压消散。土体本构采用 ABAQUS 中的 Morh coulomb Plasticity，相应模型的本构参数参考文献 [5] 选 取。管片、泥浆、水均采用弹性材料进行模拟。考虑管 片与土体的刚度相差很大，在土体与管片之间设置面面 接触。
图 10 为顶管开挖面施工不同阶段的土体变形云图。 图 11 为不同阶段管道 MISE 应力云图。计算结果较好 模拟了顶管施工的变形内力发展特性，进一步说明了本 计算软件的合理性和有效性。
4 结论
本文以顶管开挖面分析为研究对象，采用 python 语言对 ABAQUS 进行了二次开发。研究表明，采用 ABAQUS 二次开发可以极大简化顶管开挖面分析建模 计算的繁琐过程，显著提高工作效率。同时，通过天津 4 号线某顶管出入交流探讨
建设科技
1 ABAQUS 二次开发
ABAQUS 软件专门为用户提供基于 python 语言的 脚本接口，用户可以结合自身需求进行相应的二次开发。 通过脚本接口可以实现以下功能：创建和修改模型的组 件；定义载荷和计算步；创建、修改并提交分析工作； 读取和写入输出数据库；查看分析结果。
管-土轴向动力相互作用等效弹簧系数取值
文 章 编 号 ：０ ５ ．７ Ｘ（Ｏ ２ Ｏ ．１３０ ２ ３３ ４ ２ １ ） ８１ ２ —６
Ｄ Ｉ１ ．９ ９ｊｉ ｎ ０ ５ —７ｘ ２ １ ．８ ０ １ Ｏ ：０ ３６ ／． ｓ ． ２ ３３ ４ ．０ ２ ０ ．０ ｓ
管一 轴 向动 力相 互 作 用等 效 弹 簧 系数 取值 土
孙 千伟 ， 威 ， 刘 李 杰
（ 同济大学 土木工程学院 ， 海 ２ ０ ９ ） 上 ０ ０ ２
摘 要 ： 过 解 析 法 和 振 动 台试 验 数 据 对 埋 地 管 线 管 一 轴 向 通 土
ｏ ｌ ｐ ｉｇｃ ｎ ｔ ｔ ｓ ｉ ｓ ｒｎ ｏ ｓ ｎ ａ
动力相互作用等效 弹簧 系数取 值进 行研究 ． 一维 柱 面 Ｓ 从 Ｈ
Ｍａｓ ｂ ｒ 等 ＿从 圆柱 坐标 系 下 的 弹性 波 动 方 程 出 ｔｕ ａａ １ ］
ｉｔｒｃｉｎｓｂｅｔｄ ｔ ｓ ｌ ｅｒｈ ｕｋ ｘ ｉ ｔ （ ． ｇ） ｎｅａｔ ｕ ｊｃｅ ｏ ｍａｌ ａｔｑａ ｅｅ ｃｔ ｍｎ ０ １ ， ｏ ａ
ｈ ｏ ｌ ｐ ｉ ｇ ｃ ｎ ｔ ｔｉ ｎ ｌ ｚ ｄ ｔ ｅ ｓ ｉ ｓ ｒｎ ｏ ｓ ｎ ｓａ ａｙ ｅ ．Ｔｈ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗ ｈ ｔｏ ａ ｅ ｒ ｓ ｌｓｓ ｏ ｔ ａ ｎ ｔ ｉ ｔ ｓ ｏ ｄ ｔ ｎ ｔ ｅ ｔ ａ ｕ ｓ ｏ ｏ ｌｓ ｒｎ ｏ ｓａ ｔａ ｅ ｈ ｓ ｅ ｔ ｃ ｎ ｉ ｏ ｗｏ ｖ ｌ ｅ ｆ ｓ ｉ ｐ ｉ ｇ ｃ ｎ ｔ ｎ ｒ ｉ ｈ ｓｍｉ ｒ ａ ｄ ｈ ｅ ｅａ ｉ ｅ ｅ ｉｔｏ ｉ ｂ ｕ ７ ｉ ｌ ， ｎ ｔ ｒ ｌ ｔ ｄ Ｖ ａ ｉｎ ｓ ａ ｏ ｔ ．４％ ， ｗｈ ｃ ａ ｖ ｉｈ
近 ， 对 偏 差 约 为 ７ ４ ， 一 定 程 度 上 验 证 了解 析 方 法 的 合 相 ． 在 理 性 ， 根 据 工 程 需 要 ， 出 管 和 土 未 发 生 相 对 大 位 移 时 的 并 给
基于Abaqus的地下结构反应位移法抗震分析
基于Abaqus的地下结构反应位移法抗震分析陶鹏【摘要】随着城市地下空间的大规模开发利用,地铁、地下综合管廊、地下商店等地下结构得以大量兴建,其抗震问题已经成为城市地下工程抗震研究的重要组成部分.应用规范推荐的反应位移法对不规则矩形地铁车站结构进行抗震计算,分析不同位移加载方向下结构在设防地震、罕遇地震作用下的内力情况及抗震性能,进一步验证反应位移法的适用性.本文主要通过Abaqus软件对武汉地铁光谷五路站典型截面进行分析.【期刊名称】《四川建材》【年(卷),期】2017(043)002【总页数】3页(P56-58)【关键词】地下结构;反应位移法;抗震分析;Abaqus【作者】陶鹏【作者单位】武汉理工大学土木工程与建筑学院,湖北武汉 430070【正文语种】中文【中图分类】TU93随着各国经济建设的发展，城市化进程加速，为解决城市建设中的各种问题，地下空间开发逐渐得到重视，地下结构的建设也逐渐增多，如地下街、地下停车场、地铁以及各种地下管线等。
地下结构的抗震设计也进入人们的视野，各类地下结构的设计计算中也开始考虑地震的影响。
目前，地下结构抗震计算的方法有很多，如拟静力法、自由场变形法、土-结构相互作用法以及有限元法和动力时程法。
其中土-结构相互作用的反应位移法的应用较为广泛，作为地下结构地震响应最常用的简化计算方法已写入我国的国家规范GB50909-2014《城市轨道交通结构抗震设计规范》[1]，但在具体的使用过程中，该方法也存在一定的局限性。
因此，对反应位移法进行深入的研究具有重要的工程实际应用意义。
反应位移法以一维土层地震反应计算为基础，认为地下结构在地震时的反应主要取决于周围土层的变形。
将土层在地震时产生的最大变形通过地基弹簧以静荷载的形式作用在结构上，以此计算结构反应。
其中，地基弹簧是为了考虑结构刚度与土层刚度的不同，定量表示两者相互作用时引入的单元。
采用反应位移法进行地下结构横截面的抗震计算时，需考虑土层相对位移、结构惯性力和结构周围剪力三种地震作用。
ABAQUS在能源工程中的算例和应用
ABAQUS在能源工程中的算例和应用内容简介ABAQUS作为一种重要的数值模拟和仿真计算工具近年来逐渐得到广泛应用。
《ABAQUS在能源工程中的算例和应用》针对工程项目原型，详细介绍了ABAQUS在能源工程中应用的几个实例，包括ABAQUS在汽轮机分析中的应用、预应力混凝土反应堆安全壳（PCCV）的破坏分析、岩土材料与结构的渗流与变形耦合分析等。
《ABAQUS在能源工程中的算例和应用》适合能源行业从事CAE的工程技术人员阅读，也可供高等院校相关专业的师生参考。
编辑推荐《ABAQUS在能源工程中的算例和应用》特色：《ABAQUS在能源工程中的算例和应用》针对工程项目原型，详细介绍了ABAQUS在汽轮机分析中的应用、预应力混凝土反应堆安全壳（PCCV）的破坏分析、岩土材料与结构的渗透与变形耦合分析等。
《ABAQUS在能源工程中的算例和应用》适合能源行业从事CAE的工程技术人员阅读，也可供高等院校相关专业师生参考。
目 录前言第1章 预应力混凝土反应堆安全壳(PCCV)的破坏数值模拟1．1 本构模型1．1．1 混凝土损伤塑性模型1．1．2 加强肋建模的理论基础1．2 核反应堆钢筋混凝土安全壳的弹塑性损伤分析本章参考文献第2章 埋地管线的力学建模与分析2．1 ABAQUS中的管道一土壤相互作用单元2．1．1 将管道一土壤相互作用行为赋给一个PSI单元2．1．2 运动学和局部坐标系2．1．3 本构模型2．2 ABAQUS／Standard模块中管道一土壤相互作用单元库2．3 算例2．4 埋地管道的静力学模型与分析本章参考文献第3章 ABAQUS在汽轮机分析中的应用3．1 循环对称理论基础3．2 循环对称算例3．3 动力分析基本概念3．4 汽轮机叶片有限元分析3．5 ABAQUS在汽轮机领域应用中的优势第4章 某发电厂磨煤机的三维有限元数值计算及疲劳分析4．1 引言4．2 磨煤机在正常工作条件下的有限元变形与应力分析4．3 结构在有钢球卡人衬板缝隙时的有限元数值分析4．4 小结第5章 岩土材料与结构的渗流与变形耦合分析5．1 孔隙介质的等效应力原理5．2 基本概念5．3 孔隙介质的本构行为5．4 弥散和变形耦合问题的求解方法5．5 实例：储油层射孔三维弹塑性变形与渗流耦合分析5．6 小结第6章 岩土材料与结构的弹塑性蠕变和渗流分析6．1 蠕变模型的理论6．2 蠕变模型参数选取6．3 实例：地下储库施工引起的岩体弹塑性蠕变及套管变形数值模拟6．4 小结第7章 储层压实致套管损坏机理数值模拟7．1 引言7．2 几何模型及材料参数的确定7．3 有限元网格及边界条件7．4 弹塑性变形与瞬态渗流耦合计算结果及分析7．5 结论本章参考文献第8章 岩石爆破三维动力学有限元数值模拟8．1 引言8．2 力学模型8．3 数值应用8．4 结论本章参考文献序 言随着工业水平的提高及计算技术的高速发展，ABAQUS作为一种主要的数值模拟和仿真计算工具正在得到越来越广泛的应用。
ABAQUS软件在管土相互作用中的应用
文章编号:1001-4500(2007)04-0048-04ABAQUS 软件在管土相互作用中的应用任艳荣(北京建筑工程学院,北京100044) 摘 要:利用ABAQUS 软件中的主控Ο从属接触算法,使管道和海床形成一个接触对,且建立了管土系统有限单元模型。
海床土体分别采用非线性弹性模型、多孔弹性模型、Ramberg -Osgood 塑性模型。
通过分析计算,得到了管道沉降量与管重间的关系,以及由于管道沉陷而形成的土体楔形。
计算结果和有关试验结果相符合,说明采用该软件进行管土相互作用分析是可行的。
关键词:管土相互作用;稳定性;ABAQUS 软件 中图分类号:P756 文献标识码:A 海底管道作为输送油、气的海上连续构筑物,其地位十分重要,同时海底管道设置在恶劣的海洋环境中,将承受各类环境载荷,其中波浪引起的水动力载荷及在位稳定性最为重要,在位稳定性是海底管线设计中的关键技术之一。
管道的稳定性和管道的水下重量、环境载荷和管土相互作用有着重要的关系。
为保证管道的稳定,海底土壤必须提供足够的阻力以平衡波浪荷载。
20世纪80年代以来,国外的许多科研机构[1,2]采图1 冲刷参数示意图用机械式反复加载的方式对裸置管道的管土相互作用进行深入研究,并提出了管土相互作用模型,如图1所示。
管土相互作用属于土与结构的耦合作用问题,同时也属于接触问题。
接触问题广泛存在于机械工程、土木工程等领域,如齿轮啮合、坝体接缝等[3]。
这类问题的特点是具有单边约束和未知接触区域。
接触区域的确定依赖于加载方式、荷载水平、接触面性质等因素,属于边界待定问题。
在土工分析中,接触问题多是采用接触面单元分析。
接触面单元是有限元计算中用以模拟接触面变形的一种特殊单元,采用接触面单元需要预先确定哪些点的位移相等,但这不能精确模拟接触面在变形过程中的实际情况,有一定的缺陷。
因此,在管土相互作用中,位于地基基础上的管道,其变形模量成百倍地高于地基土的变形模量。
abaqus在土木工程的应用
Stress-deformation curve under cyclic loading (large compressive stress)
Reinhardt and Cornelissen (1984)
ABAQUS中的混凝土本 构模型
高压混凝土裂纹扩展被阻止。脆性的特性被柔性硬化的特性代替。 Under high confining pressure, crack propagation is prevented. The brittle behavior disappears and is replaced by ductility with work hardening.
Keywords:
*CONCRETE DAMAGED PLASTICITY *CONCRETE TENSION STIFFENING *CONCRETE COMPRESSION HARDENING *CONCRETE TENSION DAMAGE *CONCRETE COMPRESSION DAMAGE
Surface elements 不可以嵌入热传导和质量扩散实体 单元中
应用实例
应用实例
ABAQUS/CAE 演示
Smeared Cracking Model
Jain and Kennedy Slab 二维平面应变模型 本构关系： Smeared Cracking Model
Smeared Cracking Model
混凝土损伤模型 (ABAQUS Version 6.3)
高压力混凝土的本构关系
Cap model
Smeared Cracking Model (ABAQUS/Standard)
土结动力相互作用对框架结构地震反应的影响
土结动力相互作用对框架结构地震反应的影响孟宪春【摘要】The paper adopts the finite element software ABAQUS,to establish the calculation models with various frame structure seismic response,undertakes the numeric simulation research on the response under the frame structure earthquake,and concludes the differences of the frame structure＇s seismic responses with the consideration of the soil dynamic structure interaction and without the consideration of the soil dynamic structure interaction,so as to provide the direction for the accurate structural design of design personnel.%利用ABAQUS有限元软件建立了不同框架结构地震反应的计算模型,对框架结构地震下的反应进行了数值模拟研究,得出了不考虑土结动力相互作用以及考虑土结动力相互作用两种情况下框架结构地震反应的差异,为设计人员进行更精准的结构设计提供了指导。
【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2012(038)024【总页数】2页(P64-65)【关键词】土结相互作用;框架结构;地震反应;数值模拟【作者】孟宪春【作者单位】中国建筑西南设计研究院有限公司,四川成都610041【正文语种】中文【中图分类】TU378.40 引言实际的建筑结构都是建于地基之上的，结构部分和地基土体是一个有机整体，它们相互影响，协调变形，共同承受重力荷载以及各种动力荷载。
基于ABAQUS和MATLAB的断层抗大变形管道长度计算
基于ABAQUS和MATLAB的断层抗大变形管道长度计算王亮;房茂立【摘要】通过对比抗大变形管材与普通管材力学性能和经济成本,阐述了确定活动断层处抗大变形钢管道长度的必要性.在忽略活动断层面宽度条件下,研究采用有限元软件ABAQUS对该处普通钢管道进行抗震受力计算,得到管道沿线应变.利用MATLAB软件对大于容许应变值的管道单元进行统计处理,得到大于普通钢管容许应变值的管道长度,加上活动断层面宽度之和即为需要使用抗大变形管道的长度.此方法可得到抗大变形钢管道长度及沿管道长度方向应变分布状况,为活动断层作用下管材选择提供依据.【期刊名称】《石油工程建设》【年(卷),期】2016(042)004【总页数】4页(P34-37)【关键词】ABAQUS;MATLAB;断层;抗大变形管;长度【作者】王亮;房茂立【作者单位】中石化石油工程设计有限公司,山东东营257026;中石化石油工程设计有限公司,山东东营257026【正文语种】中文由于长输管道分布范围广，沿途区域自然地理条件和地质环境复杂多样，无法完全避开地质灾害的威胁和侵害。
在多种地质灾害中，活动断层是破坏埋地管道完整性的高发地。
GB 50470-2008《油气输送管道线路工程抗震技术规范》、ASCE2004 “Guidelines for the Seismic Design of Oil and Gas Pipeline Systems”及ALA 2001“Guidelines for the Design of Buried SteelPipe”均提出了穿越活动断层处管道基于应变的设计思想和技术方法，通过调整管道穿越活动断层处夹角、壁厚及埋深，使得断层处管道受力满足管道材料力学性质。
然而，由于某些活动断层位错量大、断层性质复杂，使用以上设计方法进行管道受力校核无法满足其力学特性。
因此，在这些活动断层处需要使用抗大变形管，这类管材除了拥有优于普通钢管的材料性能（屈服强度明显低于普通管材，而应变强化指数明显高于普通管材，均匀延伸率大于8％，屈曲应变是普通管材的1.5倍），还具备高应力比、抵抗纵向屈曲的高变形容量等特性［1］。
Abaqus软件在土木工程中的应用研究-ABAQUS用户大会
2 ABAQUS 软件介绍
ABAQUS 功能强大的工程模拟的有限 元软件， 其解决 问题的范围从相对简单的线性分 析到许 多复杂的非 线性问题。 ABAQUS 包括一 个丰富的、可模拟任意几 何形状的单元库。并拥 有各种类 型的材料模型 库，可以模拟典型工程材料的性 能，其中包括金属、橡胶、高 分子材料、复合材料、 钢筋混凝土、可压缩 超弹性泡沫材料以及土壤和岩石 等地质材料。作为通用的模拟工具，ABAQUS 除了 能解决大量 结构（应力 /位移 ）问题，还 可以模拟其 他工程领域 的许多问题 ，例如热传 导、质 量扩散、热电 耦合分析、声学分析、岩土力学 分析（流体渗透 /应 力耦合分析）及压电介质分析 。 ABAQUS 为用户 提供了广泛的功能，且 使用起来又非常简单。 大量的复杂问题可以通 过选项 块的不同组合 很容易的模拟出来。例如，对于复杂多构 件问题的模拟是通过把定义每一 构件的几何 尺寸的选项块 与相应的材料性质选项块结合起 来。在大部分模拟中 ，甚至高度非线性问题 ，用户只 需提供一些工 程数据，像结构的几何形状、材料性质、边界条件及 载荷工况。在一个非线性分析中 ， ABAQUS 能自动 选择相应载荷增量和收 敛限度。他不仅能够选择 合适参数，而且能连续 调节参数 以保证在分析 过程中有效地得到精确解。用户 通过准确的定义参数就能很好 的控制数值计算结果。 由于 ABAQUS 优秀的分析能力和 模拟复杂系统的可靠性使得 ABAQUS 被各国的工业 和研究中所 广泛的采用。
参考文献
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考虑土体强度参数随机场的横向加载管-土相互作用分析
第 2 期水 利 水 运 工 程 学 报No. 2 2024 年 4 月HYDRO-SCIENCE AND ENGINEERING Apr. 2024 DOI:10.12170/20230212001甘永波，李亚军，李瑞杰，等. 考虑土体强度参数随机场的横向加载管-土相互作用分析[J]. 水利水运工程学报，2024（2）：143-153. （GAN Yongbo, LI Yajun, LI Ruijie, et al. Analysis of pipe-soil interaction under lateral loads using random fields of soil strength parameters[J]. Hydro-Science and Engineering, 2024（2）: 143-153. （in Chinese））考虑土体强度参数随机场的横向加载管-土相互作用分析甘永波1，李亚军1, 2，李瑞杰3，秦浩东4，张杰1，张彬1, 2(1. 中国地质大学（北京）工程技术学院，北京 100083； 2. 自然资源部重大工程地质安全风险防控工程技术创新中心，北京 100083； 3. 山西路桥第三工程有限公司，山西忻州 034099； 4. 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心，广东广州 510700)摘要: 输水管道受滑坡、地震、断层活动等影响将产生横向运动，埋地管道的管-土相互作用问题可归结于管-土接触界面的接触压力研究。
基于Abaqus有限元模拟及其二次开发功能，通过土体强度参数随机场模拟土体非均质性，研究受横向荷载的埋地管道与土体之间相互作用，并对3种变异系数工况进行模拟；将模拟结果与均质土条件的确定性结果进行对比，对随机分析模拟结果进行参数分析及概率研究。
研究表明：所提方法可以较好地模拟横向荷载条件下管-土相互作用；土体抗剪强度空间变异条件下的管-土结构承载力小于确定性分析结果，土体非均质性对横向荷载作用下浅埋管道破坏机制的影响表现为土体破坏沿强度薄弱的区域发展；土体不排水抗剪强度随机参数水平相关距离对管-土结构承载力影响显著；管道达预设位移时管-土结构承载力服从对数正态分布；考虑工程容许荷载设计，随着安全系数的增大，管-土结构失效概率显著减小，当安全系数取2.5时失效概率小于1%，达到工程可靠水平。
海洋管线与海床土体接触作用的数值模拟
Ｏ） Ｃ Ｏ Ｓ Ｏ］十 三 ／ （ ０ ． ５ Ｄ） ， 其 中 Ｏ＝ ａ ｒ ｃ ｓ ｉ ｎ ［ １一 （ ０ ． ５ Ｄ） ］。
将数值 模拟 及 Ｎ Ｇ Ｉ试 验 结 果 与 Ａ ｕ ｂ ｅ ｎ ｙ和
种： ①开展不 同尺度的模型试验＿ ２ 引。通过模型试
验可 以得 到较 为 真 实 的 管 土作 用 载 荷 ， 但 是 试 验
研究对模型及环境条件模拟要求较 高， 并且 由于
管 土相 互 作用 的参 数 影 响 因 素较 多 ， 试 验 成 本 较 大 。② 数值 模 拟 。在 以往 的研 究 工 作 中 ， 管 土 作
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ６—１ １ —２ ２
图 １ 管 土 作 用 过 程
修 回 日期 ： ２ ０ １ ７— ０ ３— ０ １ 基金项 目： 国家 自然科 学 基 金项 目（ ５ １ ４ ９ ０ ６ ７ ４ ， ５ １ ５ ７ ９ １ ４ ６ ） ；
１ ＿ ２为初 次贯 入 阶段 ， 对应 Ｐ ． Ｙ曲线 中的骨 干 曲线 部分 ， 触 地 管线 在 外 载 荷 及 自身 重量 的作
径） 。选 取 管线 和 土 体 接 触 处 的 ４ Ｄ ｘ ２ Ｄ 区域 作
为 主要 影 响 区 ， 采用 ２ ｍ ｍ× ２ ｍ ｍ 的精 细 网格 。
模 型 中管 线 截 面 采用 二 维 离散 刚体 单 元 来 模 拟 ，
以圆心 为参 考点 施加 载 荷 。土体 采用 ４节 点平 面
问题 ， 采用非线性有 限元软件 Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ对管土接触过程进行数值模拟 ， 分析触 地管线贯入 和 回弹过程 中 的主
要影 响参 数 ， 数值模拟 结果 与挪威岩土工程研究 院的大尺 度试验结 果一致 ， 表 明该 方法 能较 好地反 映土体抗 力 和吸力 的产生和释放过程 ， 验证 了数值分析 的可行性 。参数 分析 结果 表明摩擦角和粘聚力对管土 间的接触
基于ABAQUS的桩土相互作用机理的研究方法探讨
基于ABAQUS的桩土相互作用机理的研究方法探讨作者：姚均东来源：《科技资讯》 2015年第4期姚均东(上海海事大学海洋科学与工程学院上海 201306)摘要:抗滑桩作为边坡支挡结构物因其施工便利抗滑效果好等优点,在滑坡治理中得到了广泛的应用,作为影响工程经济性的主要原因之一,桩间距的确定在工程实际中多采用经验公式。
从土拱效应出发,根据当前对土拱形成机理的研究成果,提出通过开挖桩间及桩前土体来分析桩后土拱和桩间土拱的相互作用关系的有限元数值模拟方法,对基于土拱效应的桩间距的计算公式的确定将有有益的参考。
关键词:抗滑桩土拱效应桩土相互作用 ABAQUS中图分类号:TU47 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2015)02(a)-0060-01作为抗滑工程最重要的设计参数,桩间距不仅关系到工程的安全性,更关系到工程投资的经济性。
所以,对于桩间距的确定受到了很多学者门的关注。
要确定合理桩间距,就要对抗滑桩与滑坡体的相互作用机理进行深入的研究[1]。
在试验研究方面,杨明等通过离心模型试验,对抗滑桩加固滑坡形成土拱效应的现象进行了研究。
常保平提出主要根据抗滑桩的桩后土拱强度条件建立了桩间距的计算方法。
周德培等在常保平研究的基础上,增加考虑了桩间土摩擦力的影响,提出了基于桩后土拱效应的桩间距计算模型[2]。
王成华等以抗滑桩两侧摩阻力之和不小于桩间滑坡推力作为桩间距计算的控制条件,提出了最大桩间距估算模型。
但是由于最大桩间距估算模型未能考虑最大桩间土拱与滑床之间的摩擦力,因此其模型的应用具有一定的局限性[3]。
以上两种桩间距的计算公式是基于桩后和桩间土拱的强度条件,因为除了土体本身的性质,抗滑桩的桩间距也对土拱的形成具有重要的影响作用[4]。
除此以外,传统的理论研究将边坡失稳,土拱的形成、作用、破坏的过程视为各个独立的阶段,忽视了土拱形成时桩后和桩间土拱对抗滑的协同作用。
针对上述问题,该文利用有限元分析软件ABAQUS,考虑在桩间和桩前土体开挖的情况下,土拱的形成机理、作用过程对桩后和桩间土拱的力学传递模式进行分析,探讨桩后土拱和桩间土拱作用协同机制的研究方法。
埋地悬空管道的应力分析及计算
埋地悬空管道的应力分析及计算冉龙飞;高文浩;吴栋【摘要】The buried pipelines are threatened from various potential geological disasters, which may lead to earth collapse and soil loss under pipeline, thus to make the pipeline at suspended state, result in pipeline failure, bring the hidden safety problem into pipeline operation and causing severe economic losses and personnel casualty. In this article, based on Winkler linear theory, establishing mechanical model of pipe-soil interaction, using ABAQUS FEA software to achieve the stress distribution on suspended pipeline, obtained the pipeline suspended length in case of reaching yield stage. The calculation results indicated that this kind of pipeline is close to yield stage when the suspended pipeline length up to 160 m.%埋地管道由于受到各种潜在地质灾害的威胁，可能导致管道下方土层塌陷或流失，使管道处于悬空状态，引起管道失效，给管道运行带来安全隐患，并伴随带来严重的经济损失和人员伤亡。
基于ALE、CEL法的管土垂向相互作用数值模拟对比分析
基于ALE、CEL法的管土垂向相互作用数值模拟对比分析孙肖菲;王树青;陈旭光;姚潞【摘要】深海管道在自身重量、水压以及铺设的作用下会嵌入到海床的一定深度处,其中管土垂向相互作用会对管道在海底的在位稳性造成影响,选择合适的数值计算方法来处理地基土壤网格有重要意义.文中基于Lagrangian、ALE、CEL法开展了管土相互作用的数值模拟对比分析,得到管道下沉位移—抗力载荷关系曲线,与现有理论研究成果进行了对比.研究了网格尺寸大小、管道贯入速度及管道与土壤接触表面的不同粗糙度等因素对管土相互作用模拟方法的影响,通过ALE、CEL法对无量纲化参数Eu/Su、土壤容重γ′进行了参数敏感性分析.分析结果表明:ALE、CEL法均较Lagrangian法具有更高的准确性.其中ALE法更适合接触面粗糙的情况,CEL法更适合接触面光滑的情况,并且判断出网格尺寸敏感性和贯入速度影响程度的临界点通常出现在10％～20％管径深处;当Eu/Su的取值在400～1000,参数对荷载位移关系几乎没有影响;当管道的贯入深度为10％管径,是判断土壤容重参数敏感性的临界位移.【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(033)002【总页数】8页(P1-8)【关键词】管土垂向相互作用;ALE;CEL;网格尺寸;管道贯入速度【作者】孙肖菲;王树青;陈旭光;姚潞【作者单位】中国海洋大学山东省海洋工程重点实验室,青岛266100;中国海洋大学山东省海洋工程重点实验室,青岛266100;中国海洋大学山东省海洋工程重点实验室,青岛266100;中国海洋大学山东省海洋工程重点实验室,青岛266100【正文语种】中文【中图分类】TV139.1海底管线在海床上的稳定性校核是判断管道在生产过程中是否能正常运行的关键．影响稳定性的不确定因素有很多,其中与摩擦系数、管道沉降深度等因素相关的水平向土壤抗力在分析中起决定性作用．如果水平向土壤抗力不足以抵抗外部荷载的作用,管线就会发生较大的位移,丧失稳定性进而从原位滑出[1]．海床土体的水平向抗力是在初始埋深的基础上得到的,而管道贯入海床过程中土体抗力和管道埋深的关系(荷载位移曲线)又是确定管道初始埋深的基本依据．因此求得垂向管土作用的荷载位移曲线对管道与土壤的相互作用是非常关键的．研究管土作用时,正确评价土壤对管道阻力的影响,对确保管道的稳定性、安全性、经济性以及改善相关设计规范具有重要意义[2]．最近对有限元软件的改进,使得管土相互作用的工程分析工具更加完善,并且开展了关于分析土壤响应的不同网格算法的研究．在传统的小应变有限元分析中,Lagrangian(拉格朗日)法通常用于计算浅埋管状态下的极限荷载[3],但这种方法在发生大变形时,很容易发生网格畸变导致计算结果不收敛．文献[4]中利用网格重划分的ALE(任意拉格朗日欧拉)方法,通过与离心模型实验数据的比较,验证了这种大变形有限元方法的准确性．文献[5]中对管道在土壤中的垂向渗透以及侧向运动响应的典型大变形问题进行了研究,将基于ALE方法范畴的RITSS法应用到管土垂向与侧向相互作用中,解决了数值模拟中因大位移造成的网格严重扭曲与计算不收敛问题．文献[6-8]中基于CEL(耦合的拉格朗日欧拉)方法对管土竖向相互作用进行了研究,发现CEL方法对大变形管土相互作用的数值模拟研究是非常适用的．文献[9]中采用滑移网格技术对带螺旋桨艇体尾流场数值分析方法进行了研究,结果表明，不同的网格划分对计算结果的准确性影响较大．由于海底环境的复杂性和特殊性,土体的非线性应力应变特性是很难预测的,而通过有限元分析可有效地解决这个难题．因此准确高效完成管道土壤模型的有限元仿真对于复杂多变土体下的管道设计具有很好的指导作用．文中利用非线性有限元分析软件ABAQUS建立管土相互作用的有限元模型,并利用Lagrangian、ALE、CEL 3种方法开展了管土相互作用的数值模拟对比分析,与现有理论研究成果进行了对比．重点研究了网格尺寸大小、管道贯入速度及管道与土壤接触表面的不同粗糙度等因素对管土相互作用模拟方法的影响．研究表明,粗糙度的取值对不同的模拟方法具有重要意义,是确定海底管道数值方案的重要指标．1 垂向极限抗力理论许多学者根据不同基本假定及若干理论提出了各种垂向抗力的塑性解．文中对不同边界条件以及管道下沉范围小于50%管径的部分理论方法进行了总结．极限荷载与埋深的关系[10-11]可以表示为:(1)(2)(3)式中:土体极限抗力V是由强度项NcDSu,invert和浮力项NbDγw两项组成．Su,invert为管道底端处土体的不排水抗剪强度；D为管道外径；Nc为承载力系数；γ′为土体浮重度；w为管道底端到泥线之间的土壤厚度；As为泥线以下管道面积；fb为浮力系数．根据阿基米德浮力原理，fb=1，但管道贯入过程中需考虑产生土台的影响,建议w/D<1时，取fb=1.5[4-5]．As为泥线以下管道的面积[3],表达式为:(4)(5)对于幂函数的参数a、b的拟合值,主要取决于管—土接触面的相对粗糙度．较小程度上由土壤强度的均匀参数,即kD/Su0(其中：k为强度随土壤深度的变化率；Su0为海床表面土壤不排水抗剪强度)决定．系数值a、b由表1给出(文中的土壤类型为不排水抗剪强度随深度呈梯形增长)．表1为w/D<0.5时，a和b的取值．表1 幂函数参数Table 1 Power function parameter方法管土摩擦ab文献[11]光滑4.970.23粗糙6.730.29文献[16]光滑5.660.32粗糙7.400.40文献[17]光滑5.300.25粗糙7.100.33文献[4]粗糙6.800.222 管土有限元简化模型通过ABAQUS有限元软件,分别建立了拉格朗日(Lagrangian)法、耦合的欧拉——拉格朗日(CEL)法和任意的拉格朗日欧拉(ALE)法的三维有限元模型,如图1．为了能允许土壤材料被挤入没有欧拉网格的空间区域中,CEL法需要在土体模型上填充一块强度、刚度为零的Void层(高为1.2 m)．图1 管土相互作用有限元模型Fig.1 Finite element model of pipe-soil interaction由于管道刚度远远大于土壤的刚度,因此文中截取的一段管道可近似视为刚性体,并采用壳单元来模拟．管道直径D为0.8 m．分析中取1 m长管道．在数值模拟的计算中,由于不能将整个土壤区域都包括在内,为了消除模型边界效应的影响,计算时只能截取一定的范围．同时,为了使数值模拟更贴近实际情况,海底土壤采用三维实体有限元模型．土壤模型的计算区域是水平方向取为管径的12倍,垂直方向取为管径的5倍,土壤模型的厚度取1 m．管道与土壤的法向行为采用硬接触,切向行为分别采用光滑以及完全粗糙两种接触方式．土壤的浮容重γ′采用6.5 kN/m3,其弹性模量Eu为500Su,泊松比为0.49,土体模型取Tresca本构模型．边界条件为不约束4个侧面的竖向位移,海床底面施加3个方向的约束．2.1 土壤抗剪强度问题许多工程问题都涉及土体的极限平衡分析,而土的强度理论是进行土体的极限平衡分析的基础[12]．在研究浅埋管道时包括均匀和非均匀两种土壤抗剪强度分布类型．而实际工况中抗剪强度大多沿土壤深度呈非均匀分布,文中将基于这种情况进行模拟．文献研究表明,不排水抗剪强度Su与深度Z的关系可用式(6)表示[13],其分布模式如图2．Su=Su0+kZ(6)式中:Su0为海床表面土壤抗剪强度;k为强度随土壤深度的变化率k=3 600 Pa/m，Su0=2 300 Pa．图2 不排水抗剪强度剖面Fig.2 Undrained soil shear strength profiles2.2 初始地应力平衡在实际工程中,土壤基本不会在自身重力作用下发生沉降,土壤的性质特征、结构尺寸等都保持稳定,在材料特性输入ABAQUS模型之后,土壤自重将作为施加在模型上的外力,在这种情况下,将导致模型的下沉,这与实际的工程特征不一致,因此需要提前获得工程中土壤各深度处的内力,将其作为几何模型中的内力,并与外力(重力)平衡以达到与实际情况相一致的状态,这就是所谓的地应力平衡[14]．根据文中土壤结构特点采用的方法:定义海床土体的竖向应力和其对应的竖向坐标及侧向土压力系数,通过ABAQUS的自行运算,形成符合条件的初始地应力场[15]．3 计算结果与分析3.1 网格变形情况比较由于管道与土壤接触面的粗糙度是影响土体对管道抗力的重要因素,因此，文中将管道和土壤的切向行为分为光滑和粗糙两种类型来进行分析,这两种接触类型可以在Interaction模块中进行设置．其中光滑属性默认为接触面完全光滑,粗糙属性可看作接触面间摩擦系数为无限大,即一旦接触,则不发生相对滑移．图3、4是光滑、粗糙管道贯入海床50%管径时,Lagrangian、ALE、CEL方法的网格变形形态对比结果．图3 光滑管道网格变形Fig.3 Grid deformation situation of a smooth pipes 图4 粗糙管道网格变形Fig.4 Grid deformation situation of a rough pipe从图3、4可以看出,采用Lagrangian法的网格发生了畸变,这是因为拉格朗日算法中材料是随着网格的变形而流动的．在利用ALE算法进行管土作用分析时,网格变形较规整,避免了拉格朗日算法的中的网格畸变．这是由于计算时,ALE算法会对网格进行不断地重划分．管土接触处网格形式比拉格朗日法变形规整．CEL算法的网格固定,是由于该算法先使得网格随着土壤的变形而改变,然后再用初始的网格将材料进行重划分．另一方面,从形成的土台高度进行比较,可以看出光滑管道的土台高度比粗糙管道的土台高度高．这同一些学者的研究结果也是一致的[5]．3.2 与理论结果的比较图5为管道贯入深度在50%管径时,文中的3种数值模拟方法与文献[11，16-17]中的理论解的比较情况．其中，横坐标w/D为管道相对埋深,纵坐标V/DSu为无量纲化竖向抗力．土壤模型的网格尺寸为D/16,管道以0.02 m/s的速度贯入土壤．通过对比有限元计算结果与理论结果的差值,获得正确的有限元模型,以便于之后进一步的讨论分析．对于光滑管道来说,CEL、ALE法更接近文献[11，16-17]中所提出的荷载位移拟合曲线,而Lagrangian算法则在管道贯入深度大约10%管径时开始产生偏离．当管道贯入深度为50%管径时,Lagrangian算法的计算结果大约超出了理论值的30%．图5 粗糙管道有限元计算结果Fig.5 Finite element results of a rough pipe对于粗糙管道,CEL、ALE法在贯入深度10%管径之前及40%径之后接近文献[11，16-17]中提出的拟合曲线,在两个贯入深度之间时计算模拟数值更接近于文献[4]中提出的理论拟合值．当应用Lagrangian算法时,管道贯入深度大约在20%管径时开始与理论的包络区域产生较大差距．当管道贯入深度为50%管径时,Lagrangian 算法的计算结果大约超出了理论值的25%．根据与理论结果的对比,表明CEL法与ALE法较适用于管土垂向作用的模拟,所以文中针对这两种方法进行网格尺寸的敏感性与管道贯入速度的影响进行比较．4 网格尺寸对有限元结果的影响在有限元模拟中,一般来说网格尺寸越小,得到的仿真精度就越高．仿真效果及数值也就越接近真实值,计算时间也越长,但是计算机的计算能力是有限的,为了更有效地利用现有的计算能力,需要研究仿真过程对网格的敏感性[18]．因此,针对这两种方法的土壤模型采用网格尺寸为D/8、D/16来处理网格,以管道速度v=0.02 m/s贯入土壤中．得到荷载位移曲线来判断不同方法对网格的敏感性．不同土壤网格尺寸对荷载-位移曲线的影响如图6～7.图6 网格大小变化时荷载位移变化曲线(光滑管线)Fig.6 Load displacement corresponding to different element sizes(smooth pipe)图7 网格大小变化时荷载位移变化曲线(粗糙管线)Fig.7 Load displacement corresponding to different element sizes(rough pipe)图6、7分别为光滑和粗糙管道条件下不同单元大小的荷载位移曲线．当土壤模型的网格尺寸采用D/16时,有限元结果的离散性很小．其中对于图6(a)与图7(b)中两种网格大小对应的曲线趋势较契合,数值上相差不大．图6(b)中出现了数据离散的情况,这可能是由于接触算法对局部离散起主要影响导致,因为管道与土体接触面粗糙程度对整个土体塑性区域的影响随着管道贯入深度的增大趋于恒定．图7(a)中计算数据的离散性是由于土台增长到一定高度,会出现土体回流这种极度不稳定、不连续的现象．可能在有限元计算分析时产生垂向荷载瞬态的突变．与此同时管道下压导致土壤重塑,因此有限元计算结果会产生波动现象．根据图中的描述,对于光滑管道,当管道贯入深度小于20%管径、网格尺寸为D/8时,ALE法收敛稳定性较低．因此,CEL法的网格敏感性比ALE法的网格敏感性低．对于粗糙管道,CEL法在管道贯入深度大于20%管径、网格尺寸为D/8时,收敛稳定性较ALE法的低．因此,ALE法的网格敏感性比CEL法的网格敏感性低．当精度要求较低时,为了提高计算效率,可以适当增加网格尺寸．5 管道贯入速度对有限元结果的影响管道贯入土壤中的的加载速率会显著影响荷载位移曲线的离散性．根据前人的试验与数模研究结果,可以看出管道的贯入速度的选取区间较大．文中根据文献[19]中的建议，取3种贯入速度进行研究．即以v分别为0.2、0.02、0.002 m/s的速度贯入海床0.5D深处,网格大小采用D/16．光滑管道与粗糙管道的荷载位移曲线对比如图8、9．图8 贯入速度大小变化时荷载位移变化曲线(光滑管线)Fig.8 Load displacement corresponding to different penetration rates(smooth pipe)图9 贯入速度大小变化时荷载位移变化曲线(粗糙管线)Fig.9 Load displacement corresponding to different penetration rates(rough pipe)针对同一种管土数值模拟方法的不同接触面粗糙程度,对图8、9开展了曲线的离散性分析．由图8(a)、9(a)可以看出,在v=0.2、0.02、0.002 m/s的管道贯入速度下,荷载位移曲线的离散性基本不变．在CEL法中,相对于光滑管道,增大管道贯入速度对粗糙管道的荷载位移曲线的影响会更加显著,不同贯入速度下的计算结果出现明显偏差．对比图8(b)、9(b)可以看出,在ALE法中,相对于粗糙管道,光滑管道在贯入速度为0.2 m/s时的荷载位移曲线的离散性十分明显．贯入速度v为0.02、0.002 m/s时的荷载位移曲线的离散性趋于稳定．而粗糙管道情况下3种速度的曲线离散性趋于不变．图8(b)与9(a)中出现曲线局部偏离的情况,是由于管道加载的速度过快,土体惯性在所给定的敏感性参数中占主导地位所致．针对不同管土数值模拟方法的同一接触面粗糙程度的曲线离散性开展了对比分析．根据图8,对于光滑管道,ALE法在管道贯入深度小于20%管径、管道贯入速度为0.2 m/s时离散性较大．而CEL法受管道贯入速度的影响较低．根据图13所示,对于粗糙管道,CEL法在管道贯入深度大于10%管径时,不同贯入速度会明显影响计算结果的准确性．而ALE法受管道贯入速度的影响较低．无论是计算结果的准确性还是曲线的离散性,对于光滑管道,CEL法所受管道贯入速度的影响程度较ALE法的影响程度低．而对于粗糙管道,结论则相反．因此,对于接触面光滑时的CEL法以及接触面粗糙时的ALE法可以通过适当增加管道贯入速率来提高计算效率．6 参数Eu/Su及容重γ′的影响文中进行相关参数敏感性的分析,根据CEL法较适用研究土壤管道光滑接触,ALE法较适用研究土壤管道粗糙接触的特点．利用CEL法对光滑管道进行计算分析,同时利用ALE法对粗糙管道进行计算分析．图10为管道贯入深度在50%管径时，无量纲化参数Eu/Su的取值范围为50～1 000，土壤容重γ′的取值范围为0～12 000 N/m3的垂向土壤抗力位移曲线．图10 荷载位移曲线受参数Eu/Su的影响Fig.10 Influence of Eu/Su on load displacement curve通过图10可以看出：随着位移的增加,位移-载荷曲线逐渐变缓;当Eu/Su的值在400～1 000范围内,荷载位移行为无论是从数值上还是趋势上几乎都保持一致．也就是说在此范围内竖向土壤抗力基本上不随位移的变化而变化．然而,当Eu/Su的值小于等于200时,各曲线之间呈现出明显差异．计算结果表明,当Eu/Su取值范围为400～1 000时,相应的土壤的弹性形变现象不明显,土壤在管道贯入的初期就会经历塑性变形．而当Eu/Su小于200时,其数值结果却显著依赖于Eu/Su参数的影响．通过图11的荷载位移关系可以看出,无论接触面光滑还是粗糙,管道的贯入位移小于10%管径时,不同土壤重度下的土壤阻力将随位移的改变而改变．但当超过上述的管道埋深时,随着土壤重度的增加,管道所受到的土壤阻力也在增加．这种现象可以理解为:对于管道贯入深度较浅时,土壤的土台隆起高度相对较小．因此,由土台的土壤重力所导致的土壤阻力的影响较小．然而,随着贯入的增加,土台的这种隆起高度的大小会越来越大,土壤阻力的大小将会受到显著地影响．图11 荷载位移曲线受参数γ′的影响Fig.11 Influence of γ′ on load displacement curve7 结论针对管土竖向作用这种大变形复杂非线性问题,利用非线性软件ABAQUS,建立了管土相互作用有限元模型,基于Lagrangian、CEL、ALE法的网格描述法计算的网格变形和计算解与理论解的对比,通过网格尺寸大小和管道贯入速度对适合大变形管土竖向作用的CEL法和ALE法进行敏感性分析,得到：(1) CEL、ALE法可以很好模拟管土竖向相互作用,较适用于工程实际应用．仿真结果与几种理论模型结果趋势基本一致．在贯入深度为1/2管径时,两种方法的误差要小于Lagrangian法．从数值上看,均小于光滑接触条件下的30%和粗糙接触条件下的25%．(2) 分别与网格尺寸为D/16以及贯入速度为0.002 m/s的荷载位移曲线进行比较．可以得出,光滑管道时,CEL法对有限元网格的敏感性较ALE法的网格敏感性低,CEL法所受管道贯入速度的影响程度较ALE法的影响程度低;而对于粗糙管道,结论则相反．(3) 在研究管土竖向相互作用时,CEL法较适用研究土壤管道光滑接触作用,ALE法较适用研究土壤管道粗糙接触作用．(4) 在分析网格尺寸、管道贯入速度对有限元结果的影响时,无论管道光滑还是粗糙,判断网格尺寸的敏感性与管道贯入速度的影响的临界点通常为1/10～1/5管径处．这一共同点可能是由土台增长、回流以及土体惯性的主导性所导致,需进一步讨论．(5) 当Eu/Su的取值在400～1 000范围内,参数对荷载位移行为几乎没有影响．当管道的贯入位移大于10%管径时,容重γ′对荷载位移行为有显著的影响,然而,在位移小于10%管径时,影响较小．参考文献【相关文献】[1] 郭绍曾. 海底管线自沉与土体水平向抗力研究 [D].天津：天津大学, 2012.[2] 白玉川, 杨细根, 冀自青,等. 波浪条件下海底管线与沙质海床间的相互作用 [J]. 天津大学学报, 2011, 44(1): 64-68.DOI:10.3969/j.issn.0493-2137.2011.01.012BAI Yuchuan, YANG Xigen, JI Ziqing, et al. Interaction between submarine pipelines and sand seabed under the effect of wave [J]. Journal of Tianjin University, 2011, 44(1): 64-68. DOI:10.3969/j.issn.0493-2137.2011.01.012..(in Chinese)[3] 施若苇. 海底管道热屈曲及管土相互作用研究 [D].杭州：浙江大学, 2014.[4] CHATTERJEE S, RANDOLPH M F, WHITE D J. The effects of penetration rate and strainsoftening on the vertical penetration resistance of seabed pipelines [J]. Geotechnique, 2012, 62(7): 573-582. DOI:10.1680/geot.10.P.075.[5] WANG D, WHITE, D J, RANDOLPH M F. Large deformation finite element analysis of pipe penetration and large-amplitude lateral displacement[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2010, 47(8)： 842-856.DOI: 10.1139/T09-147.[6] HOSSAIN M K, EITAHER A, JUKES P, et al. The simulation of pipe soil interaction using coupled Eulerian Lagrangian (CEL) method[C]∥In Proceedings of the 4th International Offshore Pipeline Forum (IOPF). Houston, Texas, USA:[s.n.],2009.[7] SHI H, SUN J, HOSSAIN K, et al. 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基于ABAQUS的管土相互作用计算方法研究
基于ABAQUS的管土相互作用计算方法研究摘要：本文提出了运用有限元分析软件ABAQUS研究管土相互作用的几种方法，建立了相关模型，并分析了这几种方法的适用条件及其优缺点，提出了今后的研究方向，为研究管土之间相互作用提供参考。
关键词：ABAQUS 管土作用土弹簧PSI单元接触面法ABAQUS是国际上功能最强大的大型通用有限元分析软件之一，拥有能够真实反映土体形状的本构模型，具有强大的接触面处理功能来模拟土与结构之间的脱开、滑移等现象。
ABAQUS的非线性性能最强，在有限元计算中独具优势。
在石油行业中，经常会涉及管道与土壤相互作用的问题，这些问题直接关乎管道安全施工和运行，尤其是管道处于不均匀沉降、地震等不良条件下。
研究土壤与管道的相互作用，提高求解计算的精度，对管道安全至关重要。
管土相互作用很复杂，利用解析方法求解管道的应力难度大，计算量大，利用有限元分析软件对管道的相互作用进行数值模拟，简化了计算，求解精度高。
ABAQUS在模拟管土相互作用时主要有以下几种方法：土弹簧法、PSI单元法、接触面法。
一、土弹簧法土弹簧法将土壤离散成一个个按照一定间距分布的弹簧，通过弹簧的刚度系数反映土壤的本构关系，不需要建立土壤实体，只需要在管道周围设置弹簧即可。
1.土弹簧模型二、PSI单元法PSI单元法对于大多数静力和动力问题都能够解决，可以避免对管道区域周围的土体剖分单元，尤其当管道很长时，有点更加明显，既能保证管道本体对管道的作用，又大大减少单元的数量。
但是，PSI单元只有位移自由度，主要施加位移载荷，如果不知道位移载荷，就不能采用这种方法。
此外，这种方法不能查看管道截面云图。
三、接触面法如果需要了解管道界面及其管道表面上的变形分布规律就必须要采用接触算法。
接触面算法通过建管道和土壤的实体模型，然后定义接触对属性，最后在施加的载荷条件下完成计算。
接触面之间的相互作用包括两个部分：接触面的法向作用和切向作用[5]。
埋地管道极限悬空长度计算
埋地管道极限悬空长度计算冉龙飞;高文浩;吴栋;马天骄【摘要】长输管道运行环境复杂，所经地区地质条件多变，外界各种载荷共同作用导致管道悬空，影响管道的安全运营。
简要介绍了实际工程模拟计算中常用的悬空管道力学模型。
基于埋地管道悬空这种失效形式，选择了最佳的力学简化模型，将理论计算的应力和应变值与ABAQUS有限元分析软件仿真计算的结果进行对照，得出该管材管道的极限悬空长度L=350 m，此时管道的应力取值为517.0 MPa，应变取值为0.61%。
%The operating environment of the long-distance pipeline is complex, the geological conditions are changeable in the passing through regions. Various external loads jointly lead pipeline impending, which affects safe operation of the pipeline. In this article, it briefly introduced impending pipeline mechanical model commonly usedin practical engineering analog computation. Based on the buried pipelines impeding failure mode, it selected the best mechanics simplified model. The stress and strain values of theoretical calculation were compared with the result of ABAQUS finite element analysis software simulation computation, it concluded that the extreme length of the pipeline is 350 m, the pipeline stress value is 517.0 MPa, and the strain value is 0.61%.【期刊名称】《焊管》【年(卷),期】2014(000)009【总页数】5页(P56-59,63)【关键词】焊管;埋地管道;悬空失效;有限元分析【作者】冉龙飞;高文浩;吴栋;马天骄【作者单位】辽宁石油化工大学，辽宁抚顺 113001;辽宁石油化工大学，辽宁抚顺 113001;辽宁石油化工大学，辽宁抚顺 113001;辽宁石油化工大学，辽宁抚顺113001【正文语种】中文【中图分类】TE9730 前言管道运输是油气资源配送的主要方式，在国民经济中占有重要地位。
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基于ABAQUS的管土相互作用计算方法研究
摘要：本文提出了运用有限元分析软件abaqus研究管土相互作用的几种方法，建立了相关模型，并分析了这几种方法的适用条件及其优缺点，提出了今后的研究方向，为研究管土之间相互作用提供参考。
关键词：abaqus 管土作用土弹簧 psi单元接触面法
abaqus是国际上功能最强大的大型通用有限元分析软件之一，拥有能够真实反映土体形状的本构模型，具有强大的接触面处理功能来模拟土与结构之间的脱开、滑移等现象。
abaqus的非线性性能最强，在有限元计算中独具优势。
在石油行业中，经常会涉及管道与土壤相互作用的问题，这些问题直接关乎管道安全施工和运行，尤其是管道处于不均匀沉降、地震等不良条件下。
研究土壤与管道的相互作用，提高求解计算的精度，对管道安全至关重要。
管土相互作用很复杂，利用解析方法求解管道的应力难度大，计算量大，利用有限元分析软件对管道的相互作用进行数值模拟，简化了计算，求解精度高。
abaqus在模拟管土相互作用时主要有以下几种方法：土弹簧法、psi单元法、接触面法。
一、土弹簧法
土弹簧法将土壤离散成一个个按照一定间距分布的弹簧，通过弹簧的刚度系数反映土壤的本构关系，不需要建立土壤实体，只需要在管道周围设置弹簧即可。
1.土弹簧模型
二、psi单元法
psi单元法对于大多数静力和动力问题都能够解决，可以避免对管道区域周围的土体剖分单元，尤其当管道很长时，有点更加明显，既能保证管道本体对管道的作用，又大大减少单元的数量。
但是，psi单元只有位移自由度，主要施加位移载荷，如果不知道位移载荷，就不能采用这种方法。
此外，这种方法不能查看管道截面云图。
三、接触面法
如果需要了解管道界面及其管道表面上的变形分布规律就必须
要采用接触算法。
接触面算法通过建管道和土壤的实体模型，然后定义接触对属性，最后在施加的载荷条件下完成计算。
接触面之间的相互作用包括两个部分：接触面的法向作用和切向作用[5]。
1.法向模型
一般来说，两物体只有在压紧状态才传递法向压力，存在间隙时不传递法向压力，这种法向行为在abaqus中成为硬接触。
四、方法比选
1.计算精度
同一个物理模型，如果越接近实际情况，求解的精度越高，如果有限元模型越简化，忽略的因素越多，计算精度越低，误差越大。
计算精度：接触面法>土弹簧法>psi单元法。
2.计算时间
模型的大小和计算求解的方程数量决定了计算时间，对于同一个
物理模型，按照时间排序为：接触面法>土弹簧法>psi单元法。
3.收敛性
有限元模型的收敛程度很大程度上取决于建立模型的复杂性，收敛性从好到差依次排列分别为：psi单元法>土弹簧法>接触面法。
这几种方法各有优劣，都可以在一定程度上很好地模拟管土作用，选用哪种方法计算，需要视管道长度，边界条件，计算精度以及是静力分析还是动态问题等情况而定。
五、结论
本文总结了运用有限元分析软件abaqus模拟管土作用的方法，建立了计算模型。
目前看来，有限元分析管土作用是最有效的方法。
未来的发展方向主要着重于模型参数取值研究，精细化建模。
随着计算机运算速度的提升，接触面法会越来越多的替代土弹簧法。
参考文献
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[2] 袁秀霞，武宗良，侯庆志，韩爱红.土体特性对埋地管道的影响.人民黄河，2010，32（5）：103-105.
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[5]费康，张建伟.abaqus在岩土工程中的应用.中国水利水电出版社[m]，2010，1.
作者简介：马超，男，生于1987年，湖北监利人，硕士研究生在读，中国石油大学（北京）机械与储运工程学院油气储运工程专业，2012年作为入站研究生，在中国石油管道公司科技中心工作，从事管道地质灾害风险评价相关方面的研究。