ANSYS数值计算在土木工程中的应用

土木工程结结构数值分分析概述（（1）现代土木工工程结构正正向大型化化、复杂化化方向发展展，需要高高精度的结结构分析与与精确的过过程仿真，，作为结构构设计、施施工的基础础；利用数字技技术替代结结构整体试试验了解结结构受力性性能已成为为经济、可可靠的捷径径；计算力学的的发展为结结构数值分分析提供了了理论基础础，有限差差分法、有有限元法、、边界元法法…，新算法研研究（并行行计算、结结构优化、、反问题算算法），本本构理论的的发展等；；计算机科学学的发展为为高性能计计算提供了了条件，三三维可视化化建模技术术、并行大大容量计算算系统、网网络计算机机。概述（（2）1991年，美国““国家关键键技术委员员会”提出出计算机仿仿真分析与与建模是美美国新时期期应优先发发展的关键键技术之一一；工程研究进进入新时期期，美国自自然科学基基金建立机机构“GeorgeE.BrownJr.NetworkforEarthquakeEngineeringResearch(NEES)”，专专门门从从事事地地震震工工程程研研究究，，集集实实验验、、计计算算为为一一体体，，利利用用实实验验室室和和宽宽带带网网构构建建研研究究平平台台。。15个装装备备先先进进的的大大型型实实验验室室+网络络计计算算系系统统NEESgrid；数值值分分析析的的实实现现需需要要操操作作者者具具备备良良好好的的计计算算力力学学基基础础+工程程结结构构知知识识+分析析经经验验，，熟熟练练建建模模、、选选择择计计算算方方法法、、对对结结果果作作出出正正确确的的解解释释是是任任一一项项分分析析所所要要求求的的。。结构构分分析析对对软软件件的的实实用用性性、、准准确确性性和和适适用用性性等等方方面面的的要要求求越越来来越越高高。。工程项目的有有限元计算成都市市政中中心抗震性能能分析某雷达天线塔塔考虑土-桩-上部结结构共共同工工作自自振特特性研研究福堂水水电站站调压压井开开挖稳稳定性性分析析高技术术厂房房结构构微振振响应应分析析成都市市政中中心4号搂典型平平面图图结构总总高度度72.4m，总宽宽52.5m，单肢肢宽13.5m。结构构长度度134.368m；结构沿沿x轴对称称，沿沿y轴严重重不对对称，，竖向向布置置上采采取了了一边边退台台、一一边挑挑出的的方案案，使使重心心逐渐渐向左左偏移移，各各层质质量、、刚度度相差差较大大。层平面面图第一层层第十一一层第十五五层第四层层有限元元建模模杆件单单元：：BEAM188楼板、、墙单单元：：SHELL181整个模模型共共为69243个单元元、55907个节点点SHELL181混凝土土本构构关系系Saenz公式表表示的的混凝凝土应应力-应变关关系计算中中简化化的混混凝土土本构构关系系钢材用用两线线型本本构模模型计算工工况模态分分析谱分析析中震下下弹性性时程程分析析大震下下弹塑塑性时时程分分析Mises屈服准准则+随动强强化模模型输入地地震波波人工模模拟波波美国SanFernandoM6.5地震记记录二二个分分量结构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位移反反应最大水水平位位移和和同时时刻平平均位位移比比值楼层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层间位位移变形形形式：：头部部弯剪剪型，，尾部部弯曲曲型剪力墙墙应力力反应应柱内力力反应应楼层1区2区3区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压比比柱等等效效应应力力楼板板应应力力反反应应大震震下下位位移移反反应应4号楼楼抗抗震震性性能能分分析析结结论论该结结构构具具有有较较好好的的抗抗震震性性能能，，中中震震作作用用下下，，结结构构基基本本处处于于弹弹性性状状态态，，大大震震作作用用下下，，有有足足够够的的抵抵御御变变形形的的能能力力，，保保证证不不倒倒塌塌。。中震震作作用用下下，，结结构构变变形形呈呈弯弯剪剪型型，，无无位位移移薄薄弱弱层层。。剪力力墙墙承承担担了了85%的总总剪剪力力，，说说明明剪剪力力墙墙布布置置合合理理。。结结构构左左端端剪剪力力墙墙形形成成的的筒筒体体为为薄薄弱弱区区域域，，在在中中震震作作用用下下，，局局部部达达到到屈屈服服状状态态，，应应予予以以加加强强。。柱剪压比比能满足足规范规规定的小小震下的的限值，，表明柱柱的抗剪剪承载力力较高。。轴压比比均不大大于0.7，应力分分析表明明，柱未未见屈服服。梁在圆弧弧端部和和与连廊廊连接的的部位出出现明显显的轴力力，设计计时应按按偏压（（拉）构构件计算算雷达天线线塔考虑虑土-桩-上部结构构共同工工作自振振特性研研究某雷达天天线塔，，高9m，半径3.2m,采用人工工挖孔扩扩底灌注注桩基，，共8根桩，桩桩径1m，承台厚厚1.3m，位于较较软弱的的地基上上。因工艺要要求需要要了解结结构的自自振频率率有限元模型型采用三维实实体元，上上部结构单单元数32872，节点113921，地基、承承台和桩单单元数17865，节点数46257。地基范围取取2.5倍承台直径径，四周为为对称边界界，底部固固定。分析工况上部结构-土-桩全系统自自振频率分分析；用弹簧替代代土模型自自振频率分分析，弹簧簧刚度系数数由地基土土的静力分分析获得；；自振频率影影响因素研研究。工况1分析结果第一振型，，f1=1.6093Hz第二振型，，f2=1.6098Hz第三振型，，f3=1.9612Hz如不考虑土土的影响，，按结构基基顶固定考考虑第一频频率为32Hz。工况2分析结果f1=3.35Hzf2=8.45Hzf3=16.95Hzf4=21.20Hzf5=32.74Hz工况3分析结果12345678910未加固3.358.4516.921.232.734.266.767.5110.7110.8换第一层土3.613.708.7935.950.450.585.788.5118.4125.3桩周加混凝土4.1110.722.341.858.959.793.496.5120.1125.9第二次换土4.454.5610.843.597.4118.5125.5模拟不同加加固地基情情况时结构构的自振频频率注：第一次换土土指（-0.3—4.3）m的土换为混混凝土材料料，第二次换土土指桩底高度1m以上的原土土换为C15混凝土。小结当土较软弱弱时，土-桩-上部结构共共同作用效效应显著，，计算结构构的自振特特性应考虑虑土-桩-上部结构的的共同工作作；当采用全模模型计算结结构的特征征值时，应应正确判断断结构的模模态和土局局部模态；；利用土弹簧簧模型计算算特征值是是可行的，，但要考虑虑合理的方方法确定弹弹簧刚度。。福堂水电站站调压井开开挖稳定性性分析建立三维有有限元模型型，研究在在自重荷载载作用下围围岩与衬砌砌的受力和和变形情况况，根据现现场监测数数据，反演演初始地应应力和材料料参数。利用ANSYS软件的生死死单元功能能模拟调压压井的施工工开挖状况况，以确定定合理的施施工顺序和和施工方法法。分析施施工过程围围岩的稳定定性，研究究调压井在在支护、钢钢筋混凝土土衬砌及围围岩共同作作用下的工工作性能。。工程概况福堂水电站站位于四川川省阿坝藏藏族羌族自自治州汶川川县境内的的岷江干流流上，装机机容量360MW，由首部枢纽纽、引水系系统和厂区区枢纽组成成。引水隧隧洞全长约约20km，最大引用流流量251m3/s；调压井设计计为开敞差差动式，圆圆形断面，，内径31m，深110m,为亚洲第一一深井。有限元模型型围岩部分采采用八节点点六面体单单元Solid45及其锐化的的十节点四四面体单元元Solid92，衬砌部分分采用混凝凝土单元Solid65。模型边界条条件：四周周侧立面采采用对称边边界条件，，底部采用用固定约束束。材料分两层层：上部为为四类岩体体，下部为为三类岩体体。单元数69316、节点数36803。反演分析高程实测应力（MPa）实测位移（mm）计算应力（MPa）计算位移（mm）12303.263.9412608.165.429.696.19127010.627.6012803.484.91实测位移与与计算位移移对比表根据勘测资资料建议范范围取不同同的参数组组合，利用用现场监测测数据，反反复试算、、反演；反演条件主主要考虑不不同高程后后边坡的沉沉降为控制制值；确定弹性模模量为1260m高程以上E=2.5GPa，1260m高程下部为为E=7GPa。自重荷载作作用下结构构变形情况况整体结构变变形图Z向位移分布布图最大竖向位位移为10.8mm，发生在后后边坡，井井周最大竖竖向位移6.5mm自重荷载作作用下衬砌变形情况井筒径向位位移最大值值6.19mm，发生在后后边坡侧1260m高程；井井筒环向位位移最大值值约5mm，发生在福福堂沟侧结构等效应应力分布图图衬砌等效应应力分布图图开挖稳定性性分析研究随开挖挖、衬砌的的进行，调调压井围岩岩的应力和和位移的变变化规律。。通过对比分分层开挖围围岩应力与与位移的变变化，研究究不同开挖挖施工方法法对围岩稳稳定的影响响。一次开挖、、一次衬砌砌一次衬砌两层开挖、、两次衬砌砌未开挖一次开挖衬砌1未开挖开挖1衬砌2开挖2应用生死单单元开挖分析应应力位移结结果载荷步控制点径向位移(mm)环向位移(mm)径向应力(Mpa)环向应力(Mpa)未开挖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开挖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衬砌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开挖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衬砌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高程截面控控制点的应应力位移值值表一次性开挖挖时1260m高程截面控制点的应应力位移值值表载荷步控制点径向位移(mm)环向位移(mm)径向应力(Mpa)环向应力(Mpa)未开挖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开挖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衬砌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结果分析调压井有限限元分析结结果与监测测成果基本本相符，表表明模型合合理地模拟拟了复杂地地形对结构构体的影响响。衬砌的分析表表明其内力分分布不均匀，，局部应力较较大。计算显显示后边坡侧侧的变形较大大，应该加强强锚固，进行行变形监测，，以防边坡滑滑移