Ansys在土木工程結(jié)構(gòu)計(jì)算方面的工作

Ansys在土土木工工程結(jié)結(jié)構(gòu)計(jì)計(jì)算方方面的的最新新工作作楊令強(qiáng)強(qiáng)博博士士濟(jì)南大大學(xué)土土木工工程系系概述述背景應(yīng)用實(shí)實(shí)例介介紹今后開(kāi)開(kāi)展的的工作作結(jié)論背景（（1））現(xiàn)代土土木工工程結(jié)結(jié)構(gòu)正正向大大型化化、復(fù)復(fù)雜化化方向向發(fā)展展，需需要高高精度度的結(jié)結(jié)構(gòu)分分析與與精確確的過(guò)過(guò)程仿仿真，，作為為結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)、施施工的的基礎(chǔ)礎(chǔ)；利用數(shù)數(shù)字技技術(shù)替替代結(jié)結(jié)構(gòu)整整體試試驗(yàn)了了解結(jié)結(jié)構(gòu)受受力性性能已已成為為經(jīng)濟(jì)濟(jì)、可可靠的的捷徑徑；；計(jì)算力力學(xué)的的發(fā)展展為結(jié)結(jié)構(gòu)數(shù)數(shù)值分分析提提供了了理論論基礎(chǔ)礎(chǔ)，有有限差差分法法、有有限元元法、、邊界界元法法…，新新算算法法研研究究（（并并行行計(jì)計(jì)算算、、結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)優(yōu)優(yōu)化化、、反反問(wèn)問(wèn)題題算算法法）），，本本構(gòu)構(gòu)理理論論的的發(fā)發(fā)展展等等；；計(jì)算機(jī)機(jī)科學(xué)學(xué)的發(fā)發(fā)展為為高性性能計(jì)計(jì)算提提供了了條件件，三三維可可視化化建模模技術(shù)術(shù)、并并行大大容量量計(jì)算算系統(tǒng)統(tǒng)、網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)。背景（（2））1991年，美美國(guó)““國(guó)家家關(guān)鍵鍵技術(shù)術(shù)委員員會(huì)””提出出計(jì)算算機(jī)仿仿真分分析與與建模模是美美國(guó)新新時(shí)期期應(yīng)優(yōu)優(yōu)先發(fā)發(fā)展的的關(guān)鍵鍵技術(shù)術(shù)之一一；工程研研究進(jìn)進(jìn)入新新時(shí)期期，美美國(guó)自自然科科學(xué)基基金建建立機(jī)機(jī)構(gòu)““GeorgeE.BrownJr.NetworkforEarthquakeEngineeringResearch(NEES)”，專(zhuān)門(mén)從從事地地震工工程研研究，，集實(shí)實(shí)驗(yàn)、、計(jì)算算為一一體，，利用用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)室和和寬帶帶網(wǎng)構(gòu)構(gòu)建研研究平平臺(tái)。。15個(gè)裝備備先進(jìn)進(jìn)的大大型實(shí)實(shí)驗(yàn)室室+網(wǎng)絡(luò)計(jì)計(jì)算系系統(tǒng)NEESgrid；數(shù)值分分析的的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)需要要操作作者具具備良良好的的計(jì)算算力學(xué)學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)+工程結(jié)結(jié)構(gòu)知知識(shí)+分析經(jīng)經(jīng)驗(yàn)，，熟練練建模模、選選擇計(jì)計(jì)算方方法、、對(duì)結(jié)結(jié)果作作出正正確的的解釋釋是任任一項(xiàng)項(xiàng)分析析所要要求的的。結(jié)構(gòu)分分析對(duì)對(duì)軟件件的實(shí)實(shí)用性性、準(zhǔn)準(zhǔn)確性性和適適用性性等方方面的的要求求越來(lái)來(lái)越高高。項(xiàng)目介介紹成都市市市政政中心心抗震震性能能分析析某雷達(dá)達(dá)天線線塔考考慮土土-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(kāi)開(kāi)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(hào)摟摟典型平平面圖圖結(jié)構(gòu)總總高度度72.4m，總寬52.5m，單肢寬寬13.5m。結(jié)構(gòu)長(zhǎng)長(zhǎng)度134.368m；結(jié)構(gòu)沿沿x軸對(duì)稱(chēng)稱(chēng)，沿沿y軸嚴(yán)重重不對(duì)對(duì)稱(chēng)，，豎向向布置置上采采取了了一邊邊退臺(tái)臺(tái)、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(gè)模模型共共為69243個(gè)單單元、、55907個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)SHELL181混凝土土本構(gòu)構(gòu)關(guān)系系Saenz公式式表示示的混混凝土土應(yīng)力力-應(yīng)應(yīng)變關(guān)關(guān)系計(jì)算中中簡(jiǎn)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(jì)算工工況模態(tài)分分析譜分析析中震下下彈性性時(shí)程程分析析大震下下彈塑塑性時(shí)時(shí)程分分析Mises屈服服準(zhǔn)則則+隨隨動(dòng)強(qiáng)強(qiáng)化模模型輸入地地震波波人工模擬擬波美國(guó)SanFernandoM6.5地震震記錄二二個(gè)分量量結(jié)構(gòu)自振振周期及及振型第一周期期1.69s第三周期期1.12s第二周期期1.54s位移反應(yīng)應(yīng)最大水平平位移和和同時(shí)刻刻平均位位移比值值樓層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層間位移移變形形式式：頭部部彎剪型型，尾部部彎曲型型剪力墻應(yīng)應(yīng)力反應(yīng)應(yīng)柱內(nèi)力反反應(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波波作用下下柱最大大剪力及及剪壓比比柱等效應(yīng)應(yīng)力樓板應(yīng)力力反應(yīng)大震下位位移反應(yīng)應(yīng)4號(hào)樓抗抗震性能能分析結(jié)結(jié)論該結(jié)構(gòu)具具有較好好的抗震震性能，，中震作作用下，，結(jié)構(gòu)基基本處于于彈性狀狀態(tài)，大大震作用用下，有有足夠的的抵御變變形的能能力，保保證不倒倒塌。中震作用用下，結(jié)結(jié)構(gòu)變形形呈彎剪剪型，無(wú)無(wú)位移薄薄弱層。。剪力墻承承擔(dān)了85%的總剪力力，說(shuō)明明剪力墻墻布置合合理。結(jié)結(jié)構(gòu)左端端剪力墻墻形成的的筒體為為薄弱區(qū)區(qū)域，在在中震作作用下，，局部達(dá)達(dá)到屈服服狀態(tài)，，應(yīng)予以以加強(qiáng)。。柱剪壓比比能滿(mǎn)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(jiàn)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(jì)計(jì)時(shí)應(yīng)按按偏壓（（拉）構(gòu)構(gòu)件計(jì)算算雷達(dá)天線線塔考慮慮土-樁樁-上部部結(jié)構(gòu)共共同工作作自振特特性研究究某雷達(dá)天天線塔，，高9m，半徑3.2m,采用人工工挖孔擴(kuò)擴(kuò)底灌注注樁基，，共8根樁，樁樁徑1m，承臺(tái)厚1.3m，位于較軟軟弱的地地基上。。因工藝要求需需要了解結(jié)構(gòu)構(gòu)的自振頻率率有限元模型采用三維實(shí)實(shí)體元，上上部結(jié)構(gòu)單單元數(shù)32872，節(jié)點(diǎn)113921，地基、承承臺(tái)和樁單單元數(shù)17865，節(jié)點(diǎn)數(shù)46257。地基范圍取取2.5倍承臺(tái)直徑徑，四周為為對(duì)稱(chēng)邊界界，底部固固定。分析工況上部結(jié)構(gòu)-土土-樁全全系系統(tǒng)統(tǒng)自自振振頻頻率率分分析析；；用彈彈簧簧替替代代土土模模型型自自振振頻頻率率分分析析，，彈彈簧簧剛剛度度系系數(shù)數(shù)由由地地基基土土的的靜靜力力分分析析獲獲得得；；自振振頻頻率率影影響響因因素素研研究究。。工況1分分析結(jié)果果第一振型型，f1=1.6093Hz第二振型型，f2=1.6098Hz第三振型型，f3=1.9612Hz如不考慮慮土的影影響，按按結(jié)構(gòu)基基頂固定定考慮第第一頻率率為32Hz。。工況2分分析結(jié)果果f1=3.35Hzf2=8.45Hzf3=16.95Hzf4=21.20Hzf5=32.74Hz工況3分分析結(jié)果果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模擬不同同加固地地基情況況時(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)的自振振頻率注：第一次換換土指（（-0.3——4.3）m的的土換為為混凝土土材料，第二次換換土指樁樁底高度度1m以以上的原原土換為為C15混凝土土。小結(jié)當(dāng)土較軟軟弱時(shí)，，土-樁-上部結(jié)構(gòu)構(gòu)共同作作用效應(yīng)應(yīng)顯著，，計(jì)算結(jié)結(jié)構(gòu)的自自振特性性應(yīng)考慮慮土-樁-上部結(jié)構(gòu)構(gòu)的共同同工作；；當(dāng)采用全全模型計(jì)計(jì)算結(jié)構(gòu)構(gòu)的特征征值時(shí)，，應(yīng)正確確判斷結(jié)結(jié)構(gòu)的模模態(tài)和土土局部模模態(tài)；利用土彈彈簧模型型計(jì)算特特征值是是可行的的，但要要考慮合合理的方方法確定定彈簧剛剛度。福堂水電電站調(diào)壓壓井開(kāi)挖挖穩(wěn)定性性分析建立三維維有限元元模型，，研究在在自重荷荷載作用用下圍巖巖與襯砌砌的受力力和變形形情況，，根據(jù)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)測(cè)數(shù)據(jù)，，反演初初始地應(yīng)應(yīng)力和材材料參數(shù)數(shù)。利用ANSYS軟件的生生死單元元功能模模擬調(diào)壓壓井的施施工開(kāi)挖挖狀況，，以確定定合理的的施工順順序和施施工方法法。分析析施工過(guò)過(guò)程圍巖巖的穩(wěn)定定性，研研究調(diào)壓壓井在支支護(hù)、鋼鋼筋混凝凝土襯砌砌及圍巖巖共同作作用下的的工作性性能。工程概況況福堂水電電站位于于四川省省阿壩藏藏族羌族族自治州州汶川縣縣境內(nèi)的的岷江干干流上，，裝機(jī)容容量360MW，由首部樞樞紐、引引水系統(tǒng)統(tǒng)和廠區(qū)區(qū)樞紐組組成。引引水隧洞洞全長(zhǎng)約約20km，最大引用用流量251m3/s；調(diào)壓井設(shè)設(shè)計(jì)為開(kāi)開(kāi)敞差動(dòng)動(dòng)式，圓圓形斷面面，內(nèi)徑徑31m，深110m,為亞洲第第一深井井。有限元模模型圍巖部分分采用八八節(jié)點(diǎn)六六面體單單元Solid45及其銳化化的十節(jié)節(jié)點(diǎn)四面面體單元元Solid92，襯砌部分分采用混混凝土單單元Solid65。模型邊界界條件：：四周側(cè)側(cè)立面采采用對(duì)稱(chēng)稱(chēng)邊界條條件，底底部采用用固定約約束。材料分兩兩層：上上部為四四類(lèi)巖體體，下部部為三類(lèi)類(lèi)巖體。。單元數(shù)69316、節(jié)點(diǎn)數(shù)數(shù)36803。反演分析析高程實(shí)測(cè)應(yīng)力（MPa）實(shí)測(cè)位移（mm）計(jì)算應(yīng)力（MPa）計(jì)算位移（mm）12303.263.9412608.165.429.696.19127010.627.6012803.484.91實(shí)測(cè)位移移與計(jì)算算位移對(duì)對(duì)比表根據(jù)勘測(cè)測(cè)資料建建議范圍圍取不同同的參數(shù)數(shù)組合，，利用現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)測(cè)數(shù)據(jù)，，反復(fù)試試算、反反演；反演條件件主要考考慮不同同高程后后邊坡的的沉降為為控制值值；確定彈性性模量為為1260m高程以上上E=2.5GPa，1260m高程下部部為E=7GPa。。自重荷載載作用下下結(jié)構(gòu)變變形情況況整體結(jié)構(gòu)構(gòu)變形圖圖Z向位移移分布圖圖最大豎向向位移為為10.8mm，，發(fā)生在在后邊邊坡，，井周周最大大豎向向位移移6.5mm自重荷荷載作作用下下襯砌變變形情況井筒徑徑向位位移最最大值值6.19mm，，發(fā)生生在后后邊坡坡側(cè)1260m高程程；；井筒筒環(huán)向向位移移最大大值約約5mm，，發(fā)生生在福福堂溝溝側(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(kāi)挖穩(wěn)定性性分析研究隨開(kāi)挖挖、襯砌的的進(jìn)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(guò)對(duì)比分分層開(kāi)挖圍圍巖應(yīng)力與與位移的變變化，研究究不同開(kāi)挖挖施工方法法對(duì)圍巖穩(wěn)穩(wěn)定的影響響。一次開(kāi)挖、、一次襯砌砌一次襯砌兩層開(kāi)挖、、兩次襯砌砌未開(kāi)挖一次開(kāi)挖襯砌1未開(kāi)挖開(kāi)挖1襯砌2開(kāi)挖2應(yīng)用生死單單元開(kāi)挖分析應(yīng)應(yīng)力位移結(jié)結(jié)果載荷步控制點(diǎn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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高程截面面控制點(diǎn)的的應(yīng)力位移移值表一次性開(kāi)挖挖時(shí)1260m高程程截面控制點(diǎn)的應(yīng)應(yīng)力位移值值表載荷步控制點(diǎn)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(kāi)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(kāi)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(cè)測(cè)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(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)體的影響響。襯砌的分析析表明其內(nèi)內(nèi)力分布不不均勻，局局部應(yīng)力較較大。計(jì)算算顯示后邊邊坡側(cè)的變變形較大，，應(yīng)該加強(qiáng)強(qiáng)錨