ANSYS數(shù)值計算在土木工程中的應(yīng)用

土木工程結(jié)結(jié)構(gòu)數(shù)值分分析概述（（1）現(xiàn)代土木工工程結(jié)構(gòu)正正向大型化化、復(fù)雜化化方向發(fā)展展，需要高高精度的結(jié)結(jié)構(gòu)分析與與精確的過過程仿真，，作為結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計、施施工的基礎(chǔ)礎(chǔ)；利用數(shù)字技技術(shù)替代結(jié)結(jié)構(gòu)整體試試驗了解結(jié)結(jié)構(gòu)受力性性能已成為為經(jīng)濟、可可靠的捷徑徑；計算力學(xué)的的發(fā)展為結(jié)結(jié)構(gòu)數(shù)值分分析提供了了理論基礎(chǔ)礎(chǔ)，有限差差分法、有有限元法、、邊界元法法…，新算法研研究（并行行計算、結(jié)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、、反問題算算法），本本構(gòu)理論的的發(fā)展等；；計算機科學(xué)學(xué)的發(fā)展為為高性能計計算提供了了條件，三三維可視化化建模技術(shù)術(shù)、并行大大容量計算算系統(tǒng)、網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)計算機機。概述（（2）1991年，美國““國家關(guān)鍵鍵技術(shù)委員員會”提出出計算機仿仿真分析與與建模是美美國新時期期應(yīng)優(yōu)先發(fā)發(fā)展的關(guān)鍵鍵技術(shù)之一一；工程研究進進入新時期期，美國自自然科學(xué)基基金建立機機構(gòu)“GeorgeE.BrownJr.NetworkforEarthquakeEngineeringResearch(NEES)”，專專門門從從事事地地震震工工程程研研究究，，集集實實驗驗、、計計算算為為一一體體，，利利用用實實驗驗室室和和寬寬帶帶網(wǎng)網(wǎng)構(gòu)構(gòu)建建研研究究平平臺臺。。15個裝裝備備先先進進的的大大型型實實驗驗室室+網(wǎng)絡(luò)絡(luò)計計算算系系統(tǒng)統(tǒng)NEESgrid；數(shù)值值分分析析的的實實現(xiàn)現(xiàn)需需要要操操作作者者具具備備良良好好的的計計算算力力學(xué)學(xué)基基礎(chǔ)礎(chǔ)+工程程結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)知知識識+分析析經(jīng)經(jīng)驗驗，，熟熟練練建建模模、、選選擇擇計計算算方方法法、、對對結(jié)結(jié)果果作作出出正正確確的的解解釋釋是是任任一一項項分分析析所所要要求求的的。。結(jié)構(gòu)構(gòu)分分析析對對軟軟件件的的實實用用性性、、準(zhǔn)準(zhǔn)確確性性和和適適用用性性等等方方面面的的要要求求越越來來越越高高。。工程項目的有有限元計算成都市市政中中心抗震性能能分析某雷達(dá)天線塔塔考慮土-樁-上部結(jié)結(jié)構(gòu)共共同工工作自自振特特性研研究福堂水水電站站調(diào)壓壓井開開挖穩(wěn)穩(wěn)定性性分析析高技術(shù)術(shù)廠房房結(jié)構(gòu)構(gòu)微振振響應(yīng)應(yīng)分析析成都市市政中中心4號摟典型平平面圖圖結(jié)構(gòu)總總高度度72.4m，總寬寬52.5m，單肢肢寬13.5m。結(jié)構(gòu)構(gòu)長度度134.368m；結(jié)構(gòu)沿沿x軸對稱稱，沿沿y軸嚴(yán)重重不對對稱，，豎向向布置置上采采取了了一邊邊退臺臺、一一邊挑挑出的的方案案，使使重心心逐漸漸向左左偏移移，各各層質(zhì)質(zhì)量、、剛度度相差差較大大。層平面面圖第一層層第十一一層第十五五層第四層層有限元元建模模桿件單單元：：BEAM188樓板、、墻單單元：：SHELL181整個模模型共共為69243個單元元、55907個節(jié)點點SHELL181混凝土土本構(gòu)構(gòu)關(guān)系系Saenz公式表表示的的混凝凝土應(yīng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)關(guān)系計算中中簡化化的混混凝土土本構(gòu)構(gòu)關(guān)系系鋼材用用兩線線型本本構(gòu)模模型計算工工況模態(tài)分分析譜分析析中震下下彈性性時程程分析析大震下下彈塑塑性時時程分分析Mises屈服準(zhǔn)準(zhǔn)則+隨動強強化模模型輸入地地震波波人工模模擬波波美國SanFernandoM6.5地震記記錄二二個分分量結(jié)構(gòu)自自振周周期及及振型型第一周周期1.69s第三周周期1.12s第二周周期1.54s位移反反應(yīng)最大水水平位位移和和同時時刻平平均位位移比比值樓層A1波TH1波TH3波Umax(mm)U0Umax/U0Umax(mm)U0Umax/U0Umax(mm)U0Umax/U013.081.621.913.842.001.923.701.951.903424.413.61.8023.513.21.78431.717.41.8238.023.61.63659.833.11.8171.045.11.5770.041.01.71775.841.21.8989.455.41.6188.650.61.751012965.71.9715584.61.8415178.21.931216789.31.872031171.741931021.8814205120.01.702491521.632341391.6815223140.01.592711761.542541611.57層間位位移變形形形式：：頭部部彎剪剪型，，尾部部彎曲曲型剪力墻墻應(yīng)力力反應(yīng)應(yīng)柱內(nèi)力力反應(yīng)應(yīng)樓層1區(qū)2區(qū)3區(qū)V（kN）V/fcAV（kN）V/fcAV（kN）V/fcA15260.0174780.0273560.02622810.0091350.0082800.02034500.0144460.02610930.07944100.0134460.0267980.05854470.0146050.0353720.035TH1波作用用下柱柱最大大剪力力及剪剪壓比比柱等等效效應(yīng)應(yīng)力力樓板板應(yīng)應(yīng)力力反反應(yīng)應(yīng)大震震下下位位移移反反應(yīng)應(yīng)4號樓樓抗抗震震性性能能分分析析結(jié)結(jié)論論該結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)具具有有較較好好的的抗抗震震性性能能，，中中震震作作用用下下，，結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)基基本本處處于于彈彈性性狀狀態(tài)態(tài)，，大大震震作作用用下下，，有有足足夠夠的的抵抵御御變變形形的的能能力力，，保保證證不不倒倒塌塌。。中震震作作用用下下，，結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)變變形形呈呈彎彎剪剪型型，，無無位位移移薄薄弱弱層層。。剪力力墻墻承承擔(dān)擔(dān)了了85%的總總剪剪力力，，說說明明剪剪力力墻墻布布置置合合理理。。結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)左左端端剪剪力力墻墻形形成成的的筒筒體體為為薄薄弱弱區(qū)區(qū)域域，，在在中中震震作作用用下下，，局局部部達(dá)達(dá)到到屈屈服服狀狀態(tài)態(tài)，，應(yīng)應(yīng)予予以以加加強強。。柱剪壓比比能滿足足規(guī)范規(guī)規(guī)定的小小震下的的限值，，表明柱柱的抗剪剪承載力力較高。。軸壓比比均不大大于0.7，應(yīng)力分分析表明明，柱未未見屈服服。梁在圓弧弧端部和和與連廊廊連接的的部位出出現(xiàn)明顯顯的軸力力，設(shè)計計時應(yīng)按按偏壓（（拉）構(gòu)構(gòu)件計算算雷達(dá)天線線塔考慮慮土-樁-上部結(jié)構(gòu)構(gòu)共同工工作自振振特性研研究某雷達(dá)天天線塔，，高9m，半徑3.2m,采用人工工挖孔擴擴底灌注注樁基，，共8根樁，樁樁徑1m，承臺厚厚1.3m，位于較較軟弱的的地基上上。因工藝要要求需要要了解結(jié)結(jié)構(gòu)的自自振頻率率有限元模型型采用三維實實體元，上上部結(jié)構(gòu)單單元數(shù)32872，節(jié)點113921，地基、承承臺和樁單單元數(shù)17865，節(jié)點數(shù)46257。地基范圍取取2.5倍承臺直徑徑，四周為為對稱邊界界，底部固固定。分析工況上部結(jié)構(gòu)-土-樁全系統(tǒng)自自振頻率分分析；用彈簧替代代土模型自自振頻率分分析，彈簧簧剛度系數(shù)數(shù)由地基土土的靜力分分析獲得；；自振頻率影影響因素研研究。工況1分析結(jié)果第一振型，，f1=1.6093Hz第二振型，，f2=1.6098Hz第三振型，，f3=1.9612Hz如不考慮土土的影響，，按結(jié)構(gòu)基基頂固定考考慮第一頻頻率為32Hz。工況2分析結(jié)果f1=3.35Hzf2=8.45Hzf3=16.95Hzf4=21.20Hzf5=32.74Hz工況3分析結(jié)果12345678910未加固3.358.4516.921.232.734.266.767.5110.7110.8換第一層土3.613.708.7935.950.450.585.788.5118.4125.3樁周加混凝土4.1110.722.341.858.959.793.496.5120.1125.9第二次換土4.454.5610.843.597.4118.5125.5模擬不同加加固地基情情況時結(jié)構(gòu)構(gòu)的自振頻頻率注：第一次換土土指（-0.3—4.3）m的土換為混混凝土材料料，第二次換土土指樁底高度1m以上的原土土換為C15混凝土。小結(jié)當(dāng)土較軟弱弱時，土-樁-上部結(jié)構(gòu)共共同作用效效應(yīng)顯著，，計算結(jié)構(gòu)構(gòu)的自振特特性應(yīng)考慮慮土-樁-上部結(jié)構(gòu)的的共同工作作；當(dāng)采用全模模型計算結(jié)結(jié)構(gòu)的特征征值時，應(yīng)應(yīng)正確判斷斷結(jié)構(gòu)的模模態(tài)和土局局部模態(tài)；；利用土彈簧簧模型計算算特征值是是可行的，，但要考慮慮合理的方方法確定彈彈簧剛度。。福堂水電站站調(diào)壓井開開挖穩(wěn)定性性分析建立三維有有限元模型型，研究在在自重荷載載作用下圍圍巖與襯砌砌的受力和和變形情況況，根據(jù)現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)數(shù)據(jù)，反演演初始地應(yīng)應(yīng)力和材料料參數(shù)。利用ANSYS軟件的生死死單元功能能模擬調(diào)壓壓井的施工工開挖狀況況，以確定定合理的施施工順序和和施工方法法。分析施施工過程圍圍巖的穩(wěn)定定性，研究究調(diào)壓井在在支護、鋼鋼筋混凝土土襯砌及圍圍巖共同作作用下的工工作性能。。工程概況福堂水電站站位于四川川省阿壩藏藏族羌族自自治州汶川川縣境內(nèi)的的岷江干流流上，裝機機容量360MW，由首部樞紐紐、引水系系統(tǒng)和廠區(qū)區(qū)樞紐組成成。引水隧隧洞全長約約20km，最大引用流流量251m3/s；調(diào)壓井設(shè)計計為開敞差差動式，圓圓形斷面，，內(nèi)徑31m，深110m,為亞洲第一一深井。有限元模型型圍巖部分采采用八節(jié)點點六面體單單元Solid45及其銳化的的十節(jié)點四四面體單元元Solid92，襯砌部分分采用混凝凝土單元Solid65。模型邊界條條件：四周周側(cè)立面采采用對稱邊邊界條件，，底部采用用固定約束束。材料分兩層層：上部為為四類巖體體，下部為為三類巖體體。單元數(shù)69316、節(jié)點數(shù)36803。反演分析高程實測應(yīng)力（MPa）實測位移（mm）計算應(yīng)力（MPa）計算位移（mm）12303.263.9412608.165.429.696.19127010.627.6012803.484.91實測位移與與計算位移移對比表根據(jù)勘測資資料建議范范圍取不同同的參數(shù)組組合，利用用現(xiàn)場監(jiān)測測數(shù)據(jù)，反反復(fù)試算、、反演；反演條件主主要考慮不不同高程后后邊坡的沉沉降為控制制值；確定彈性模模量為1260m高程以上E=2.5GPa，1260m高程下部為為E=7GPa。自重荷載作作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)變形情況況整體結(jié)構(gòu)變變形圖Z向位移分布布圖最大豎向位位移為10.8mm，發(fā)生在后后邊坡，井井周最大豎豎向位移6.5mm自重荷載作作用下襯砌變形情況井筒徑向位位移最大值值6.19mm，發(fā)生在后后邊坡側(cè)1260m高程；井井筒環(huán)向位位移最大值值約5mm，發(fā)生在福福堂溝側(cè)結(jié)構(gòu)等效應(yīng)應(yīng)力分布圖圖襯砌等效應(yīng)應(yīng)力分布圖圖開挖穩(wěn)定性性分析研究隨開挖挖、襯砌的的進行，調(diào)調(diào)壓井圍巖巖的應(yīng)力和和位移的變變化規(guī)律。。通過對比分分層開挖圍圍巖應(yīng)力與與位移的變變化，研究究不同開挖挖施工方法法對圍巖穩(wěn)穩(wěn)定的影響響。一次開挖、、一次襯砌砌一次襯砌兩層開挖、、兩次襯砌砌未開挖一次開挖襯砌1未開挖開挖1襯砌2開挖2應(yīng)用生死單單元開挖分析應(yīng)應(yīng)力位移結(jié)結(jié)果載荷步控制點徑向位移(mm)環(huán)向位移(mm)徑向應(yīng)力(Mpa)環(huán)向應(yīng)力(Mpa)未開挖1-3.970.72-0.52-0.4320.70-3.46-0.35-1.6633.28-0.24-0.41-0.2241.343.57-0.29-1.55開挖11-7.260.31-0.04-0.362-0.45-3.37-0.05-0.8630.71-0.39-0.04-0.3540.143.71-0.06-0.94襯砌11-6.920.31-0.06-0.382-0.26-3.31-0.08-0.8830.87-0.39-0.05-0.3740.353.65-0.09-0.96開挖21-7.740.38-0.07-0.392-0.56-3.32-0.09-0.9030.65-0.42-0.09-0.3940.313.51-0.07-0.99襯砌21-7.780.39-0.07-0.412-0.66-3.49-0.10-0.9130.56-0.44-0.09-0.3940.253.48-0.09-0.991260m高程截面控控制點的應(yīng)應(yīng)力位移值值表一次性開挖挖時1260m高程截面控制點的應(yīng)應(yīng)力位移值值表載荷步控制點徑向位移(mm)環(huán)向位移(mm)徑向應(yīng)力(Mpa)環(huán)向應(yīng)力(Mpa)未開挖1-4.000.57-0.52-0.4520.85-3.42-0.32-1.2633.31-0.29-0.41-0.2941.633.44-0.30-1.40開挖11-8.13-1.10-0.04-0.302-0.99-3.55-0.06-0.9030.37-0.39-0.02-0.424-0.403.71-0.05-1.01襯砌11-7.89-1.06-0.06-0.442-0.91-3.47-0.09-0.9530.56-0.50-0.04-0.4740.453.45-0.08-1.01結(jié)果分析調(diào)壓井有限限元分析結(jié)結(jié)果與監(jiān)測測成果基本本相符，表表明模型合合理地模擬擬了復(fù)雜地地形對結(jié)構(gòu)構(gòu)體的影響響。襯砌的分析表表明其內(nèi)力分分布不均勻，，局部應(yīng)力較較大。計算顯顯示后邊坡側(cè)側(cè)的變形較大大，應(yīng)該加強強錨固，進行行變形監(jiān)測，，以防邊坡滑滑移