Ansys在土木工程结构计算方面的工作

Ansys在土木工程结构计算方面的最新工作

杨令强博士济南大学土木工程系概述背景应用实例介绍今后开展的工作结论背景（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。背景（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“GeorgeE.BrownJr.

NetworkforEarthquakeEngineeringResearch(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。项目介绍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号搂典型平面图结构总高度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。层平面图第一层第十一层第十五层第四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Saenz公式表示的混凝土应力-应变关系计算中简化的混凝土本构关系钢材用两线型本构模型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人工模拟波美国SanFernandoM6.5地震记录二个分量结构自振周期及振型第一周期1.69s第三周期1.12s第二周期1.54s位移反应最大水平位移和同时刻平均位移比值楼层A1波TH1波TH3波Umax(mm)U0Umax/U0Umax(mm)U0Umax/U0Umax(mm)U0Umax/U013.081.621.913.842.001.923.701.951.90320.110.91.8424.413.61.8023.513.21.78431.717.41.8238.023.61.6137.121.41.73659.833.11.8171.045.11.5770.041.01.71775.841.21.8989.455.41.6188.650.61.751012965.71.9715584.61.8415178.21.931216789.31.872031171.741931021.8814205120.01.702491521.632341391.6815223140.01.592711761.542541611.57层间位移变形形式：头部弯剪型，尾部弯曲型剪力墙应力反应柱内力反应楼层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波作用下柱最大剪力及剪压比

柱等效应力楼板应力反应大震下位移反应4号决楼抗翠震性椅能分形析结业论该结落构具奸有较蝇好的逢抗震否性能群，中刮震作掀用下晌，结该构基馆本处温于弹传性状叫态，肾大震仿作用侄下，肿有足智够的斧抵御垦变形给的能唇力，秘保证年不倒蛋塌。中震写作用霜下，锹结构纱变形培呈弯元剪型粮，无溪位移艳薄弱堡层。剪力墙妨承担了85%的总剪香力，说钳明剪力垫墙布置输合理。重结构左占端剪力想墙形成哥的筒体鞋为薄弱谦区域，泪在中震幻玉作用下竭，局部柴达到屈玩服状态触，应予坝以加强恭。柱剪压舍比能满仍足规范漠规定的况小震下浮的限值剩，表明伏柱的抗屡剪承载谎力较高企。轴压鉴比均不附大于0.7，应渗力分锐析表吐明，写柱未吓见屈零服。梁在负圆弧畏端部孕和与圆连廊猜连接捕的部贺位出宵现明睬显的该轴力刊，设伤计时肿应按猴偏压核（拉隔）构莲件计拉算雷达梁天线躲塔考势虑土舞-桩安-上犁部结节构共汽同工斩作自腾振特物性研测究某雷达比天线塔熊，高9m，半径3.2m,采用位人工壳挖孔脾扩底遇灌注渡桩基泰，共8根桩，啄桩径1m，承台厚1.3m，位于农较软悦弱的疤地基堪上。因工艺社要求需达要了解轮结构的置自振频迫率有限元卸模型采用三蚊维实体脆元，上摘部结构撤单元数32佣87优2，节点113问921，地浸基、兵承台裂和桩蔑单元鹿数17士86边5，节点煌数462定57。地基范莲围取2.5倍承台百直径，代四周为窄对称边填界，底拌部固定普。分析工爪况上部伍结构-土-桩全垮系统忆自振拢频率烈分析战；用弹簧捧替代土境模型自号振频率郊分析，答弹簧刚础度系数尚由地基坊土的静拦力分析贫获得；自振频狗率影响购因素研冒究。工况长1分蔬析结乎果第一承振型花，f1=1老.6蜓09嘴3H托z第二振耳型，f2=1数.6晨09惰8H丈z第三振此型，f3=1.例961汽2Hz如不贯考虑捐土的伏影响匆，按矮结构飞基顶骨固定夹考虑亮第一露频率之为3界2H岩z。工况聚2分出析结吩果f1=3.驴35H余zf2=8巨.4脉5H纪zf3=16扇.95骗Hzf4=音21.画20H简zf5=3椒2.想74雄Hz工况霜3分军析结戒果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4.454.5610.843.559.159.193.997.4118.5125.5模拟不章同加固趴地基情乐况时结钉构的自血振频率注：第一械次换伏土指境（巨-0帽.3旱—4喊.3史）m麦的土伏换为竿混凝侵土材缝料，第二穷次换艰土指爽桩底棍高度葬1m研以上丝式的原持土换她为C率15萝混凝适土。小结当土甘较软获弱时率，土-桩-上部结雅构共同兔作用效西应显著挖，计算肌结构的据自振特愁性应考述虑土-桩-上部结尖构的共纯同工作油；当采用肥全模型欠计算结塞构的特描征值时耗，应正量确判断恰结构的殖模态和谎土局部桥模态；利用虾土弹链簧模贱型计扯算特托征值僚是可椒行的虑，但朝要考爪虑合深理的奖方法讽确定卧弹簧碧刚度显。福堂馆水电胳站调戚压井功开挖冶稳定楼性分付析建立三泳维有限仔元模型陶，研究陶在自重为荷载作屑用下围绩岩与衬涂砌的受史力和变练形情况结，根据勤现场监坝测数据车，反演野初始地养应力和穷材料参孤数。利用AN伟SY起S软件的薄生死单裙元功能贞模拟调毙压井的芒施工开棍挖状况似，以确枕定合理大的施工扎顺序和镇施工方鼓法。分葱析施工救过程围壮岩的稳胡定性，绘研究调梁压井在济支护、复钢筋混亮凝土衬繁砌及围里岩共同喉作用下杯的工作慌性能。工程魔概况福堂变水电录站位用于四宅川省奴阿坝弟藏族纯羌族铃自治触州汶举川县岔境内晋的岷草江干凡流上登，装躲机容坝量360MW，由首部辣枢纽、东引水系雾统和厂跨区枢纽宴组成。村引水隧赴洞全长罢约20km讨，最大引秧用流量25必1m3/s共；调压井叮设计为缩慧开敞差踪蝶动式，接圆形断谎面，内粥径31m，深11遣0m,为亚鲁洲第拖一深益井。有限元构模型围岩养部分窝采用他八节淹点六污面体院单元Sol纺id4勇5及其锐横化的十击节点四物面体单挡元So醉li窗d9价2，衬砌露部分子采用安混凝停土单颈元So举li竞d6龄5。模型边首界条件瘦：四周盟侧立面拳采用对域称边界欣条件，由底部采牵用固定悦约束。材料分痒两层：登上部为征四类岩览体，下瞎部为三朱类岩体猎。单元数69森31裕6、节凳点数368凉03。反演分么析高程实测应力（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实测位呈移与计介算位移预对比表根据勘内测资料滑建议范壳围取不门同的参尾数组合瓣，利用池现场监君测数据暗，反复谜试算、胞反演；反演颗条件恳主要乖考虑置不同食高程瓣后边尺坡的淋沉降惭为控毫制值测；确定拿弹性胜模量照为126怖0m高程以棚上E=组2.医5G愚Pa猛，1卫26豪0m高程戒下部忽为E=7蛋GPa算。自重荷佛载作用辞下结构示变形情穗况整体结虾构变形趣图Z向苏位移恨分布恭图最大竖蜂向位移稼为10粱.8mm鸦，发生在贴后边坡问，井周墙最大竖类向位移6.5mm自重荷贪载作用查下衬砌变降形情况井筒客径向轮位移拼最大类值6响.1首9m世m妨，发女生在茎后边肤坡侧射12济60笑m高灾程猎；井匆筒环糕向位更移最脸大值枣约5笛mm顷，发封生在尿福堂悟沟侧结构镇等效图应力拥分布盾图衬砌等浊效应力语分布图开挖稳叉定性分友析研究芽随开逗挖、证衬砌慕的进州行，屠调压目井围馅岩的建应力真和位昏移的毁变化安规律絮。通过天对比瞧分层借开挖杏围岩虚应力阔与位产移的情变化鼻，研叮究不任同开均挖施色工方袋法对搅围岩资稳定拔的影厅响。一次昼开挖矛、一垄次衬绳砌一次衬顾砌两层开类挖、两加次衬砌未开弱挖一次挡开挖衬砌1未开厉挖开挖1衬砌2开挖2应用生艇死单元开挖分涉析应力陡位移结膝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21-7.780.39-0.07-0.412-0.66-3.49-0.10-0.9130.56-0.44-0.09-0.3940.253.48-0.09-0.99126馋0m高北程截面出控制点海的应力志位移值箱表一次今性开抬挖时断12揪60胜m高斥程截柏面控制报点的水应力贺位移扰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结果分茧析调压井拜有限元矛分析结兵果与监织测成果肥基本相纸符，表累明模型预合理地稿模拟了扎复杂地予形对结致构体的泄影响。衬砌绒的分仓析表处明其交内力朝分布爆不均凯匀，按局部排应力赖较大走。计无算显惩示后瓣边坡敲侧的愿变形辨较大忘，应牺该加绍强锚风固，友进行湖变形灭监测限，以习防边归坡滑泰移和狡塌落梯影响侵调压诵井的驱正常肠使用赌。通过“塑二次开欺挖、衬畏砌”与沃“一次夺性开挖最、衬砌稼”的计耻算结果搅对比分蚊析,表明分寸层开挖绵时围岩重应力、邮应变变洞化幅度没相对较浊小,有利于筛围岩稳久定。根据蓬现场过监测蕉数据司，进煤行的