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1、岩土工程数值方法 贵州大学本科生课程,贵州大学土木建筑工程学院2008年,第5章 有限元分析实例,5.1 钢筋混凝土构件应用算例5.2 岩土工程开挖卸荷算例5.3 岩土与结构物共同作用5.4岩土工程动态施工的模拟,5.1 钢筋混凝土构件应用算例,、混凝土本构模型、混凝土破坏准则、混凝土力学模型、钢筋的力学模型、钢筋混凝土的有限元模型、实例,混凝土本构模型,线弹性模型,5.1 钢筋混凝土构件应用算例,混凝土本构模型,非线性弹性模型,5.1 钢筋混凝土构件应用算例,混凝土的破坏准则规范中的破坏准则,单轴破坏,5.1 钢筋混凝土构件应用算例,混凝土的破坏准则规范中的破坏准则,双轴破坏,5.1 钢筋混
2、凝土构件应用算例,混凝土的破坏准则规范中的破坏准则,三轴受压破坏,5.1 钢筋混凝土构件应用算例,混凝土的破坏准则Willam-Warnke破坏准则,5.1 钢筋混凝土构件应用算例,混凝土的力学模型,5.1 钢筋混凝土构件应用算例,一维梁、柱模型,二维板、壳模型,三维实体模型,隧洞开挖的锚固支护,钢筋的力学模型,5.1 钢筋混凝土构件应用算例,钢筋混凝土梁,钢筋的力学模型,5.1 钢筋混凝土构件应用算例,F,钢筋的力学模型,5.1 钢筋混凝土构件应用算例,钢筋的有限元模型,i,j,5.1 钢筋混凝土构件应用算例,i,j,5.1 钢筋混凝土构件应用算例,钢筋的有限元模型,5.1 钢筋混凝土构件应
3、用算例,钢筋的有限元模型,钢筋混凝土的有限元模型整体式模型,可以将布筋位置一定厚度内的混凝土体视为正交各向异性复合体来反映钢筋的作用，将钢筋与混凝土作为一个整体建立计算模型。钢筋混凝土复合体的刚度矩阵由两部分组成：D=Dc+Ds,5.1 钢筋混凝土构件应用算例,5.1 钢筋混凝土构件应用算例,其中，Es为钢筋的弹性模量，,、,、,分别为复合体内沿x、y、z方向的配筋率。,钢筋混凝土的有限元模型整体式模型,5.1 钢筋混凝土构件应用算例,钢筋混凝土的有限元模型分离式模型,混凝土采用实体单元建模，钢筋采用杆单元，两种单元在公共节点处位移协调，通过公共节点相互作用。,5.1 钢筋混凝土构件应用算例,
4、实例 钢筋混凝土梁的受力分析,一钢筋混凝土梁，梁高300mm，宽150mm，长2700mm，两端固支。混凝土变形模量24GPa，泊松比0.2，单轴抗拉强度2MPa，单轴抗压强度20MPa。梁上下部均配有的钢筋，箍筋，梁顶作用有均布荷载q，采用有限元分析计算梁的承载能力。,q,q,5.1 钢筋混凝土构件应用算例,选择单元,对混凝土，采用solid65单元,5.1 钢筋混凝土构件应用算例,选择单元,对钢筋，可采用各各杆单元，本例采用PIPE20单元,5.1 钢筋混凝土构件应用算例,建立有限元模型生成钢筋单元,q,q,5.1 钢筋混凝土构件应用算例,建立有限元模型生成钢筋单元,5.1 钢筋混凝土构件
5、应用算例,建立有限元模型生成钢筋单元,5.1 钢筋混凝土构件应用算例,建立有限元模型生成钢筋单元,5.1 钢筋混凝土构件应用算例,计算求解施加约束,5.1 钢筋混凝土构件应用算例,计算求解施加荷载,5.1 钢筋混凝土构件应用算例,计算求解,均布荷载0.16MPa，分8个荷载步施加，每步0.02MPa,5.1 钢筋混凝土构件应用算例,结果观察,q=0.08MPa,5.1 钢筋混凝土构件应用算例,结果观察,q=0.14MPa,5.1 钢筋混凝土构件应用算例,结果观察,q=0.16MPa,5.1 钢筋混凝土构件应用算例,结果观察,梁的轴向应力,5.1 钢筋混凝土构件应用算例,结果观察,梁的挠度,5.
6、1 钢筋混凝土构件应用算例,结果观察,钢筋的屈服区,5.岩土工程开挖卸荷,任间时刻体系的平衡 开挖不平衡力 开挖体系的计算 开挖计算的过程及ANSYS实现方法,5.岩土工程开挖卸荷,等倾线,5.岩土工程开挖卸荷,任间时刻体系的平衡,5.岩土工程开挖卸荷,任间时刻体系的平衡,5.岩土工程开挖卸荷,对单元e，任一时刻的节点节点力和单元应力为：,如果内力 与外力 平衡，根据虚功原理：,任间时刻体系的平衡,5.岩土工程开挖卸荷,单元e的内外力平衡关系为：,对整个有限元体系，内外力平衡关系为：,式中Ne为体系中单元的数量,单元e的节点的组成：,开挖对体系的作用,5.岩土工程开挖卸荷,体系平衡方程中的单元
7、数Ne随开挖而变化，使体系失去平衡后将进行应力的调整达到新的平衡。,开挖不平衡力,5.岩土工程开挖卸荷,式中Ner为开挖剩余的单元,体系的开挖不平衡力：,开挖释放荷载,5.岩土工程开挖卸荷,开挖卸除了被开挖部分对剩余部分的作用力，使体系失去平衡。,式中Neu为开挖卸除的全部单元,开挖不平衡力和开挖释放荷载的比较,5.岩土工程开挖卸荷,开挖不平衡力,开挖释放荷载,开挖有限元和节点的处理直接删除,5.岩土工程开挖卸荷,5.岩土工程开挖卸荷,开挖有限元和节点的处理赋予小值,、空单元的力学参数赋以极小值（或赋为0）、对删除的节点施以固定约束、解除空单元所受荷载及单元应力,5.岩土工程开挖卸荷,开挖有限
8、元和节点的处理赋予小值,5.岩土工程开挖卸荷,开挖模拟的基本过程,建立有限元分析模型应力初始化及位移初始化卸除开挖单元及节点计算体系不平衡力求解位移增量，就力增量进行下一开挖步计算,5.岩土工程开挖卸荷,开挖模拟的基本过程建立有限元分析模型,物理模型,模型范围边界条件,5.岩土工程开挖卸荷,开挖模拟的基本过程建立有限元分析模型,有限元模型,5.岩土工程开挖卸荷,开挖模拟的基本过程应力初始化,以自重应力为主的情况,5.岩土工程开挖卸荷,开挖模拟的基本过程卸除开挖单元,5.岩土工程开挖卸荷,开挖模拟的基本过程求解,5.岩土工程开挖卸荷,开挖模拟的基本过程进行下一步开挖至结束,开挖计算ANSYS实现
9、方法,初始应力场初始位移单元生死,5.岩土工程开挖卸荷,开挖计算ANSYS实现方法初始应力场,自重应力及其它荷载产生的应力对未开挖的体系施加重力及其它荷载进行有限元计算，求解出来的单元应力即为自重应力场。,5.岩土工程开挖卸荷,构造应力采用荷载文件直接定义单元的初始应力,开挖计算ANSYS实现方法初始位移清零,5.岩土工程开挖卸荷,开挖计算ANSYS实现方法初始位移清零,写初始应力文件来位移清零,5.岩土工程开挖卸荷,开挖计算ANSYS实现方法初始位移清零,采用位移增量来计算开挖以后的位移,5.岩土工程开挖卸荷,开挖计算ANSYS实现方法初始位移清零,在初始应力场计算时采用很大的变形模量,5.
10、岩土工程开挖卸荷,开挖计算ANSYS实现方法单元生死,参与计算的有限元体系不变，但对开挖的单元刚度赋予小，将这些单元应力清零来消除其影响，实现开挖模拟。,5.岩土工程开挖卸荷,算例,5.岩土工程开挖卸荷,基坑开挖，粘性土，重度20KN/m，粘聚力20KPa，内摩擦角12度，深度和开挖步见图,算例定义单元,5.岩土工程开挖卸荷,/REPLOT/prep7et,1,plane2 KEYOPT,1,3,2KEYOPT,1,5,0KEYOPT,1,6,0et,2,plane2KEYOPT,2,3,2KEYOPT,2,5,0KEYOPT,2,6,0et,3,plane2 KEYOPT,3,3,2KEYO
11、PT,3,5,0KEYOPT,3,6,0et,4,plane2KEYOPT,4,3,2KEYOPT,4,5,0KEYOPT,4,6,0et,5,plane2KEYOPT,5,3,2KEYOPT,5,5,0KEYOPT,5,6,0et,6,plane2KEYOPT,6,3,2KEYOPT,6,5,0KEYOPT,6,6,0,Special Features,算例定义材料,5.岩土工程开挖卸荷,MP,EX,1,1e7 MP,PRXY,1,0.35MP,DENS,1,2000 TB,DP,1 tbdata,1,20E3,11,11,算例分区形成基坑剖面,5.岩土工程开挖卸荷,算例对不同区域采用相应单
12、元和材料划分单元,5.岩土工程开挖卸荷,type,1mat,1esize,3mshape,1,2dmshkey,0amesh,1,算例对不同区域采用相应单元和材料划分单元,5.岩土工程开挖卸荷,type,2mat,1esize,3mshape,1,2dmshkey,0amesh,2,算例对不同区域采用相应单元和材料划分单元,5.岩土工程开挖卸荷,type,3mat,1esize,3mshape,1,2dmshkey,0amesh,3,算例对不同区域采用相应单元和材料划分单元,5.岩土工程开挖卸荷,type,4mat,1esize,3mshape,1,2dmshkey,0amesh,4,算例对不
13、同区域采用相应单元和材料划分单元,5.岩土工程开挖卸荷,type,5mat,1esize,3mshape,1,2dmshkey,0amesh,5type,6mat,1esize,3mshape,1,2dmshkey,0amesh,6,算例对单元局部区域进行加密,5.岩土工程开挖卸荷,FLST,5,112,2,ORDE,46FITEM,5,1 FITEM,5,-2 FITEM,5,5 FITEM,5,-6 FITEM,5,11 FITEM,5,19 FITEM,5,-21 FITEM,5,40 FITEM,5,49 FITEM,5,-51 FITEM,5,64 FITEM,5,-66 FITEM
14、,5,84 FITEM,5,-86 FITEM,5,118 FITEM,5,-122FITEM,5,167 FITEM,5,-171FITEM,5,219 FITEM,5,-226FITEM,5,275 FITEM,5,-282FITEM,5,332 FITEM,5,-340FITEM,5,395,FITEM,5,458 FITEM,5,-466FITEM,5,523 FITEM,5,-531FITEM,5,551 FITEM,5,-555FITEM,5,577 FITEM,5,-578FITEM,5,583 FITEM,5,-588FITEM,5,599 FITEM,5,615 FITEM,
15、5,-619FITEM,5,631 FITEM,5,646 FITEM,5,-650FITEM,5,661 FITEM,5,676 FITEM,5,-680FITEM,5,691 CM,_Y,ELEM ESEL,P51X CM,_Y1,ELEM CMSEL,S,_Y CMDELE,_Y!*!*EREF,_Y1,1,0,1,1CMDELE,_Y1!*,算例将所有重合节点合并,5.岩土工程开挖卸荷,allsel,allnummrg,allnumcmp,all,算例定义求解的控制参数,5.岩土工程开挖卸荷,antype,staticpred,onlnsrch,onnlgeom,on NROPT,FU
16、LL,ONOUTRES,ALL,ALL AUTOTS,1,算例施加重力和约束,5.岩土工程开挖卸荷,ACEL,0,10,0,nsel,s,loc,y,0,0d,all,allnsel,s,loc,x,0,0d,all,uxnsel,s,loc,x,80,80d,all,ux,算例计算自重应力场,5.岩土工程开挖卸荷,time,1allselsolvesave,s1,db,算例计算自重应力场,5.岩土工程开挖卸荷,time,2esel,s,type,2,2ekill,allallselsolvesave,s2,dbtime,3esel,s,type,3,3ekill,allallselsolve
17、save,s3,dbtime,4esel,s,type,4,4ekill,allallselsolvesave,s4,db,time,5esel,s,type,5,5ekill,allallselsolvesave,s5,dbtime,6esel,s,type,6,6ekill,allallselsolvesave,s6,db,算例计算自重应力场,5.岩土工程开挖卸荷,time,2esel,s,type,2,2ekill,allallselsolvesave,s2,dbtime,3esel,s,type,3,3ekill,allallselsolvesave,s3,dbtime,4esel,s
18、,type,4,4ekill,allallselsolvesave,s4,db,time,5esel,s,type,5,5ekill,allallselsolvesave,s5,dbtime,6esel,s,type,6,6ekill,allallselsolvesave,s6,db,算例结果观察,5.岩土工程开挖卸荷,算例结果观察,5.岩土工程开挖卸荷,算例结果观察,5.岩土工程开挖卸荷,5.3 岩土与结构物共同作用分析,结构单元 实体单元与结构单元的共同作用 算例,5.3 岩土与结构物共同作用分析,结构单元,梁单元 板、壳单元,5.3 岩土与结构物共同作用分析,结构单元梁单元,力学模型,5
19、.3 岩土与结构物共同作用分析,结构单元梁单元,局部坐标下,整体坐标下,单元上的平衡方程,5.3 岩土与结构物共同作用分析,梁单元与实体单元共同作用,衬砌,5.3 岩土与结构物共同作用分析,梁单元与实体单元共同作用,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10,5.3 岩土与结构物共同作用分析,结构单元板单元,力学模型,5.3 岩土与结构物共同作用分析,结构单元板单元,每个节点上的力和位移,5.3 岩土与结构物共同作用分析,实体单元和板单元共同作用,筏板,桩,地基,5.3 岩土与结构物共同作用分析,实体单元和板单元共同作用,筏板,桩,地基,5.3 岩土与结构物共同作用分析,例地基、筏板和上部框架共
20、同作用,5.3 岩土与结构物共同作用分析,例地基、筏板和上部框架共同作用,5.3 岩土与结构物共同作用分析,例地基、筏板和上部框架共同作用,5.3 岩土与结构物共同作用分析,例地基、筏板和上部框架共同作用,5.3 岩土与结构物共同作用分析,例地基、筏板和上部框架共同作用,5.4 岩土工程动态施工的有限元模拟,体系的平衡 力和位移的变化,体系的平衡,构形,5.4 动态施工的模拟,内力,外力,平衡,力和位移的变化,构形,5.4 动态施工的模拟,内力,外力,可以导致体系变形及应力改变的因素 结构变化 形状变化 受力变化 参数劣化,算例问题描述,5.4 动态施工的模拟,算例岩体材料力学模型和参数,5.4 动态施工的模拟,采用理想弹塑性模型,算例支护结构参数,5.4 动态施工的模拟,采用理想弹塑性模型,算例选择单元,5.4 动态施工的模拟,岩体采用实体单元 混凝土中隔墩采用实体单元 衬砌采用梁单元 锚杆采用杆单元,算例建立模型,5.4 动态施工的模拟,算例建立模型,5.4 动态施工的模拟,算例建立模型,5.4 动态施工的模拟,算例建立模型,5.4 动态施工的模拟,算例结果观察,5.4 动态施工的模拟,算例结果观察,5.4 动态施工的模拟,算例结果观察,5.4 动态施工的模拟,
