Ansys在土木工程結(jié)構(gòu)計(jì)算方面的工作

Ansys在土木工程結(jié)構(gòu)計(jì)算方面的最新工作

楊令強(qiáng)博士濟(jì)南大學(xué)土木工程系概述背景應(yīng)用實(shí)例介紹今后開展的工作結(jié)論背景（1）現(xiàn)代土木工程結(jié)構(gòu)正向大型化、復(fù)雜化方向發(fā)展，需要高精度的結(jié)構(gòu)分析與精確的過程仿真，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工的基礎(chǔ)；利用數(shù)字技術(shù)替代結(jié)構(gòu)整體試驗(yàn)了解結(jié)構(gòu)受力性能已成為經(jīng)濟(jì)、可靠的捷徑；計(jì)算力學(xué)的發(fā)展為結(jié)構(gòu)數(shù)值分析提供了理論基礎(chǔ)，有限差分法、有限元法、邊界元法…，新算法研究（并行計(jì)算、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、反問題算法），本構(gòu)理論的發(fā)展等；計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展為高性能計(jì)算提供了條件，三維可視化建模技術(shù)、并行大容量計(jì)算系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)。背景（2）1991年，美國“國家關(guān)鍵技術(shù)委員會”提出計(jì)算機(jī)仿真分析與建模是美國新時(shí)期應(yīng)優(yōu)先發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一；工程研究進(jìn)入新時(shí)期，美國自然科學(xué)基金建立機(jī)構(gòu)“GeorgeE.BrownJr.

NetworkforEarthquakeEngineeringResearch(NEES)”，專門從事地震工程研究，集實(shí)驗(yàn)、計(jì)算為一體，利用實(shí)驗(yàn)室和寬帶網(wǎng)構(gòu)建研究平臺。15個(gè)裝備先進(jìn)的大型實(shí)驗(yàn)室+網(wǎng)絡(luò)計(jì)算系統(tǒng)NEESgrid；數(shù)值分析的實(shí)現(xiàn)需要操作者具備良好的計(jì)算力學(xué)基礎(chǔ)+工程結(jié)構(gòu)知識+分析經(jīng)驗(yàn)，熟練建模、選擇計(jì)算方法、對結(jié)果作出正確的解釋是任一項(xiàng)分析所要求的。結(jié)構(gòu)分析對軟件的實(shí)用性、準(zhǔn)確性和適用性等方面的要求越來越高。項(xiàng)目介紹成都市市政中心抗震性能分析某雷達(dá)天線塔考慮土-樁-上部結(jié)構(gòu)共同工作自振特性研究福堂水電站調(diào)壓井開挖穩(wěn)定性分析高技術(shù)廠房結(jié)構(gòu)微振響應(yīng)分析成都市政中心4號摟典型平面圖結(jié)構(gòu)總高度72.4m，總寬52.5m，單肢寬13.5m。結(jié)構(gòu)長度134.368m；結(jié)構(gòu)沿x軸對稱，沿y軸嚴(yán)重不對稱，豎向布置上采取了一邊退臺、一邊挑出的方案，使重心逐漸向左偏移，各層質(zhì)量、剛度相差較大。層平面圖第一層第十一層第十五層第四層有限元建模桿件單元：BEAM188樓板、墻單元：SHELL181整個(gè)模型共為69243個(gè)單元、55907個(gè)節(jié)點(diǎn)SHELL181混凝土本構(gòu)關(guān)系Saenz公式表示的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系計(jì)算中簡化的混凝土本構(gòu)關(guān)系鋼材用兩線型本構(gòu)模型計(jì)算工況模態(tài)分析譜分析中震下彈性時(shí)程分析大震下彈塑性時(shí)程分析Mises屈服準(zhǔn)則+隨動強(qiáng)化模型輸入地震波人工模擬波美國SanFernandoM6.5地震記錄二個(gè)分量結(jié)構(gòu)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位移反應(yīng)最大水平位移和同時(shí)刻平均位移比值樓層A1波TH1波TH3波Umax(mm)U0Umax/U0Umax(mm)U0Umax/U0Umax(mm)U0Umax/U013.081.621.913.842.001.923.701.951.90320.110.91.8424.413.61.8023.513.21.78431.717.41.8238.023.61.6137.121.41.73659.833.11.8171.045.11.5770.041.01.71775.841.21.8989.455.41.6188.650.61.751012965.71.9715584.61.8415178.21.931216789.31.872031171.741931021.8814205120.01.702491521.632341391.6815223140.01.592711761.542541611.57層間位移變形形式：頭部彎剪型，尾部彎曲型剪力墻應(yīng)力反應(yīng)柱內(nèi)力反應(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波作用下柱最大剪力及剪壓比

柱等效應(yīng)力樓板應(yīng)力反應(yīng)大震下位移反應(yīng)4號決樓抗翠震性椅能分形析結(jié)業(yè)論該結(jié)落構(gòu)具奸有較蠅好的逢抗震否性能群，中刮震作掀用下晌，結(jié)該構(gòu)基館本處溫于彈傳性狀叫態(tài)，腎大震仿作用侄下，腫有足智夠的斧抵御墾變形給的能唇力，秘保證年不倒蛋塌。中震寫作用霜下，鍬結(jié)構(gòu)紗變形培呈彎元剪型糧，無溪位移艷薄弱堡層。剪力墻妨承擔(dān)了85%的總剪香力，說鉗明剪力墊墻布置輸合理。重結(jié)構(gòu)左占端剪力想墻形成哥的筒體鞋為薄弱謙區(qū)域，淚在中震幻玉作用下竭，局部柴達(dá)到屈玩服狀態(tài)觸，應(yīng)予壩以加強(qiáng)恭。柱剪壓舍比能滿仍足規(guī)范漠規(guī)定的況小震下浮的限值剩，表明伏柱的抗屢剪承載謊力較高企。軸壓鑒比均不附大于0.7，應(yīng)滲力分銳析表吐明，寫柱未嚇見屈零服。梁在負(fù)圓弧畏端部孕和與圓連廊猜連接捕的部賀位出宵現(xiàn)明睬顯的該軸力刊，設(shè)傷計(jì)時(shí)腫應(yīng)按猴偏壓核（拉隔）構(gòu)蓮件計(jì)拉算雷達(dá)梁天線躲塔考勢慮土舞-樁安-上犁部結(jié)節(jié)構(gòu)共汽同工斬作自騰振特物性研測究某雷達(dá)比天線塔熊，高9m，半徑3.2m,采用位人工殼挖孔脾擴(kuò)底遇灌注渡樁基泰，共8根樁，啄樁徑1m，承臺厚1.3m，位于農(nóng)較軟悅?cè)醯陌痰鼗吧?。因工藝社要求需達(dá)要了解輪結(jié)構(gòu)的置自振頻迫率有限元卸模型采用三蚊維實(shí)體脆元，上摘部結(jié)構(gòu)撤單元數(shù)32傭87優(yōu)2，節(jié)點(diǎn)113問921，地浸基、兵承臺裂和樁蔑單元鹿數(shù)17士86邊5，節(jié)點(diǎn)煌數(shù)462定57。地基范蓮圍取2.5倍承臺百直徑，代四周為窄對稱邊填界，底拌部固定普。分析工爪況上部伍結(jié)構(gòu)-土-樁全垮系統(tǒng)憶自振攏頻率烈分析戰(zhàn)；用彈簧捧替代土境模型自號振頻率郊分析，答彈簧剛礎(chǔ)度系數(shù)尚由地基坊土的靜攔力分析貧獲得；自振頻狗率影響購因素研冒究。工況長1分蔬析結(jié)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數(shù).6晨09惰8H丈z第三振此型，f3=1.例961汽2Hz如不貫考慮捐土的伏影響匆，按矮結(jié)構(gòu)飛基頂骨固定夾考慮亮第一露頻率之為3界2H巖z。工況聚2分出析結(jié)吩果f1=3.驢35H余zf2=8巨.4脈5H紀(jì)zf3=16扇.95騙Hzf4=音21.畫20H簡zf5=3椒2.想74雄Hz工況霜3分軍析結(jié)戒果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4.454.5610.843.559.159.193.997.4118.5125.5模擬不章同加固趴地基情樂況時(shí)結(jié)釘構(gòu)的自血振頻率注：第一械次換伏土指境（巨-0帽.3旱—4喊.3史）m麥的土伏換為竿混凝侵土材縫料，第二窮次換艱土指爽樁底棍高度葬1m研以上絲式的原持土換她為C率15蘿混凝適土。小結(jié)當(dāng)土甘較軟獲弱時(shí)率，土-樁-上部結(jié)雅構(gòu)共同兔作用效西應(yīng)顯著挖，計(jì)算肌結(jié)構(gòu)的據(jù)自振特愁性應(yīng)考述慮土-樁-上部結(jié)尖構(gòu)的共純同工作油；當(dāng)采用肥全模型欠計(jì)算結(jié)塞構(gòu)的特描征值時(shí)耗，應(yīng)正量確判斷恰結(jié)構(gòu)的殖模態(tài)和謊土局部橋模態(tài)；利用蝦土彈鏈簧模賤型計(jì)扯算特托征值僚是可椒行的慮，但朝要考爪慮合深理的獎(jiǎng)方法諷確定臥彈簧碧剛度顯。福堂館水電胳站調(diào)戚壓井功開挖冶穩(wěn)定樓性分付析建立三泳維有限仔元模型陶，研究陶在自重為荷載作屑用下圍績巖與襯涂砌的受史力和變練形情況結(jié)，根據(jù)勤現(xiàn)場監(jiān)壩測數(shù)據(jù)車，反演野初始地養(yǎng)應(yīng)力和窮材料參孤數(shù)。利用AN偉SY起S軟件的薄生死單裙元功能貞模擬調(diào)斃壓井的芒施工開棍挖狀況似，以確枕定合理大的施工扎順序和鎮(zhèn)施工方鼓法。分蔥析施工救過程圍壯巖的穩(wěn)胡定性，繪研究調(diào)梁壓井在濟(jì)支護(hù)、復(fù)鋼筋混亮凝土襯繁砌及圍里巖共同喉作用下杯的工作慌性能。工程魔概況福堂變水電錄站位用于四宅川省奴阿壩弟藏族純羌族鈴自治觸州汶舉川縣岔境內(nèi)晉的岷草江干凡流上登，裝躲機(jī)容壩量360MW，由首部辣樞紐、東引水系霧統(tǒng)和廠跨區(qū)樞紐宴組成。村引水隧赴洞全長罷約20km討，最大引秧用流量25必1m3/s共；調(diào)壓井叮設(shè)計(jì)為縮慧開敞差蹤蝶動式，接圓形斷謊面，內(nèi)粥徑31m，深11遣0m,為亞魯洲第拖一深益井。有限元構(gòu)模型圍巖養(yǎng)部分窩采用他八節(jié)淹點(diǎn)六污面體院單元Sol紡id4勇5及其銳橫化的十擊節(jié)點(diǎn)四物面體單擋元So醉li窗d9價(jià)2，襯砌露部分子采用安混凝停土單頸元So舉li競d6齡5。模型邊首界條件瘦：四周盟側(cè)立面拳采用對域稱邊界欣條件，由底部采牽用固定悅約束。材料分癢兩層：登上部為征四類巖覽體，下瞎部為三朱類巖體獵。單元數(shù)69森31裕6、節(jié)凳點(diǎn)數(shù)368涼03。反演分么析高程實(shí)測應(yīng)力（MPa）實(shí)測位移（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)測位呈移與計(jì)介算位移預(yù)對比表根據(jù)勘內(nèi)測資料滑建議范殼圍取不門同的參尾數(shù)組合瓣，利用池現(xiàn)場監(jiān)君測數(shù)據(jù)暗，反復(fù)謎試算、胞反演；反演顆條件懇主要乖考慮置不同食高程瓣后邊尺坡的淋沉降慚為控毫制值測；確定拿彈性勝模量照為126怖0m高程以棚上E=組2.醫(yī)5G愚Pa猛，1衛(wèi)26豪0m高程戒下部忽為E=7蛋GPa算。自重荷佛載作用辭下結(jié)構(gòu)示變形情穗況整體結(jié)蝦構(gòu)變形趣圖Z向蘇位移恨分布恭圖最大豎蜂向位移稼為10粱.8mm鴉，發(fā)生在貼后邊坡問，井周墻最大豎類向位移6.5mm自重荷貪載作用查下襯砌變降形情況井筒客徑向輪位移拼最大類值6響.1首9m世m(xù)妨，發(fā)女生在莖后邊膚坡側(cè)射12濟(jì)60笑m高災(zāi)程獵；井匆筒環(huán)糕向位更移最臉大值棗約5笛mm頃，發(fā)封生在尿福堂悟溝側(cè)結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)等效圖應(yīng)力擁分布盾圖襯砌等濁效應(yīng)力語分布圖開挖穩(wěn)叉定性分友析研究芽隨開逗挖、證襯砌慕的進(jìn)州行，屠調(diào)壓目井圍餡巖的建應(yīng)力真和位昏移的毀變化安規(guī)律絮。通過天對比瞧分層借開挖杏圍巖虛應(yīng)力闊與位產(chǎn)移的情變化鼻，研叮究不任同開均挖施色工方袋法對攪圍巖資穩(wěn)定拔的影廳響。一次晝開挖矛、一壟次襯繩砌一次襯顧砌兩層開類挖、兩加次襯砌未開弱挖一次擋開挖襯砌1未開厲挖開挖1襯砌2開挖2應(yīng)用生艇死單元開挖分涉析應(yīng)力陡位移結(jié)膝果載荷步控制點(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21-7.780.39-0.07-0.412-0.66-3.49-0.10-0.9130.56-0.44-0.09-0.3940.253.48-0.09-0.99126饞0m高北程截面出控制點(diǎn)海的應(yīng)力志位移值箱表一次今性開抬挖時(shí)斷12揪60勝m高斥程截柏面控制報(bào)點(diǎn)的水應(yīng)力賀位移擾值表載荷步控制點(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)果分繭析調(diào)壓井拜有限元矛分析結(jié)兵果與監(jiān)織測成果肥基本相紙符，表累明模型預(yù)合理地稿模擬了扎復(fù)雜地予形對結(jié)致構(gòu)體的泄影響。襯砌絨的分倉析表處明其交內(nèi)力朝分布爆不均凱勻，按局部排應(yīng)力賴較大走。計(jì)無算顯懲示后瓣邊坡敲側(cè)的愿變形辨較大忘，應(yīng)犧該加紹強(qiáng)錨風(fēng)固，友進(jìn)行湖變形滅監(jiān)測限，以習(xí)防邊歸坡滑泰移和狡塌落梯影響侵調(diào)壓誦井的驅(qū)正常腸使用賭。通過“塑二次開欺挖、襯畏砌”與沃“一次奪性開挖最、襯砌稼”的計(jì)恥算結(jié)果攪對比分蚊析,表明分寸層開挖綿時(shí)圍巖重應(yīng)力、郵應(yīng)變變洞化幅度沒相對較濁小,有利于篩圍巖穩(wěn)久定。根據(jù)蓬現(xiàn)場過監(jiān)測蕉數(shù)據(jù)司，進(jìn)煤行的