岩土工程数值方法——本科生.pptx

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1、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第1页/共110页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 第2页/共110页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第3页/共110页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第4页/共110页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第5页/共110页混凝土的破坏准则规范中的破坏准则双轴破坏5.1 钢筋混凝土构

2、件应用算例第6页/共110页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第7页/共110页混凝土的破坏准则Willam-Warnke破坏准则5.1 钢筋混凝土构件应用算例第8页/共110页混凝土的力学模型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 第9页/共110页隧洞开挖的锚固支护实体单元杆单元钢筋的力学模型5.1 钢筋混凝土构件应用算例第10页/共110页钢筋混凝土梁实体单元杆单元钢筋的力学模型5.1 钢筋混凝土构件应用算例第11页/共110页F,钢筋的力学模型5.1 钢筋混凝土构件应用算例第12页/共110页钢筋的有限元模型o

3、ij5.1 钢筋混凝土构件应用算例第13页/共110页oij5.1 钢筋混凝土构件应用算例钢筋的有限元模型第14页/共110页5.1 钢筋混凝土构件应用算例钢筋的有限元模型第15页/共110页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第16页/共110页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 第17页/共110页

4、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。实体单元杆单元第18页/共110页5.1 钢筋混凝土构件应用算例实例 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。qq第19页/共110页5.1 钢筋混凝土构件应用算例选择单元对混凝土，采用solid65单元第20页/共110

5、页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单元第21页/共110页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qq第22页/共110页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第23页/共110页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第24页/共110页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第25页/共110页5.1 钢筋混凝土构件应用算例计算求解施加约束第26页/共110页5.1 钢筋混凝土构件应用算例计算求解施加荷载第27页/共110页5.1 钢筋混凝土构件应用算例计算求解均布荷载0.

6、16MPa，分8个荷载步施加，每步0.02MPa第28页/共110页5.1 钢筋混凝土构件应用算例结果观察q=0.08MPa第29页/共110页5.1 钢筋混凝土构件应用算例结果观察q=0.14MPa第30页/共110页5.1 钢筋混凝土构件应用算例结果观察q=0.16MPa第31页/共110页5.1 钢筋混凝土构件应用算例结果观察梁的轴向应力第32页/共110页5.1 钢筋混凝土构件应用算例结果观察梁的挠度第33页/共110页5.1 钢筋混凝土构件应用算例结果观察钢筋的屈服区第34页/共110页5.岩土工程开挖卸荷n 任间时刻体系的平衡n 开挖不平衡力n 开挖体系的计算n 开挖计算的过程及A

7、NSYS实现方法第35页/共110页5.岩土工程开挖卸荷等倾线123第36页/共110页5.岩土工程开挖卸荷第37页/共110页任间时刻体系的平衡5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷第38页/共110页任间时刻体系的平衡5.岩土工程开挖卸荷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：第39页/共110页任间时刻体系的平衡5.岩土工程开挖卸荷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：第40页/共110页开挖对体系的作用5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷 体系平

8、衡方程中的单元数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。第41页/共110页开挖不平衡力5.岩土工程开挖卸荷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：第42页/共110页开挖释放荷载5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷 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第43页/共110页开挖不平衡力和开挖释放荷载的比较5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷开挖不平衡力开挖释放荷载第44页/共110页开挖有限元和节点的处理直接删除5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷第45页/共110页5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖

9、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 第46页/共110页5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷开挖有限元和节点的处理赋予小值开挖剩余的材料区域被开挖区域eaebijmn第47页/共110页5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷开挖模拟的基本过程n建立有限元分析模型n应力初始化及位移初始化n卸除开挖单元及节点n计算体系不平衡力n求解位移增量，就力增量n进行下一开挖步计算第48页/共110页5.岩土工程开挖卸荷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801020模型范围边界条件第49页/

10、共110页5.岩土工程开挖卸荷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第50页/共110页5.岩土工程开挖卸荷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第51页/共110页5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷开挖模拟的基本过程卸除开挖单元第52页/共110页5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷开挖模拟的基本过程求解第53页/共110页5.岩土工程开挖卸荷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第54页/共110页开挖计算ANSYS实现方法初始应力场初始位移单元生死5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷第55页/共110页开挖计算ANSYS

11、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.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷n构造应力采用荷载文件直接定义单元的初始应力第56页/共110页开挖计算ANSYS实现方法初始位移清零5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷第57页/共110页开挖计算ANSYS实现方法初始位移清零写初始应力文件来位移清零 5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷第58页/共110页开挖计算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.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷第59页/共110页开挖计算ANSYS实现方法初始

12、位移清零在初始应力场计算时采用很大的变形模量 5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷第60页/共110页开挖计算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.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷第61页/共110页算例5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷801020基坑开挖，粘性土，重度20KN/m，粘聚力20KPa，内摩擦角12度，深度和开挖步见图第62页/共110页算例定义单元5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷/REPLOT/prep7et,1,plane2 KEYOPT,1,3,2KEYOPT,1,5,0KEY

13、OPT,1,6,0et,2,plane2KEYOPT,2,3,2KEYOPT,2,5,0KEYOPT,2,6,0et,3,plane2 KEYOPT,3,3,2KEYOPT,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,6,6,0Special Features PlasticityCreepSwellingStress stiffeni

14、ngLarge deflectionLarge strainBirth and deathAdaptive descentInitial stress import第63页/共110页算例定义材料5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷MP,EX,1,1e7 MP,PRXY,1,0.35MP,DENS,1,2000 TB,DP,1 tbdata,1,20E3,11,11 第64页/共110页算例分区形成基坑剖面5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷801020第65页/共110页算例对不同区域采用相应单元和材料划分单元5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷type,1mat,1esize,3mshap

15、e,1,2dmshkey,0amesh,1第66页/共110页算例对不同区域采用相应单元和材料划分单元5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷type,2mat,1esize,3mshape,1,2dmshkey,0amesh,2第67页/共110页算例对不同区域采用相应单元和材料划分单元5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷type,3mat,1esize,3mshape,1,2dmshkey,0amesh,3第68页/共110页算例对不同区域采用相应单元和材料划分单元5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷type,4mat,1esize,3mshape,1,2dmshkey,0amesh,4第69

16、页/共110页算例对不同区域采用相应单元和材料划分单元5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷type,5mat,1esize,3mshape,1,2dmshkey,0amesh,5type,6mat,1esize,3mshape,1,2dmshkey,0amesh,6第70页/共110页算例对单元局部区域进行加密5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷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,

17、-51 FITEM,5,64 FITEM,5,-66 FITEM,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,-5

18、88FITEM,5,599 FITEM,5,615 FITEM,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 !*第71页/共110页算例将所有重合节点合并5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷allsel,allnummrg,allnumcmp,all第72页/共110页算例定义求解的控制参数5

19、.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷antype,staticpred,onlnsrch,onnlgeom,on NROPT,FULL,ONOUTRES,ALL,ALL AUTOTS,1第73页/共110页算例施加重力和约束5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷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第74页/共110页算例计算自重应力场5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷time,1allselsolvesave,s1,db第75页/共110页算例计算自重应力场5

20、.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷time,2esel,s,type,2,2ekill,allallselsolvesave,s2,dbtime,3esel,s,type,3,3ekill,allallselsolvesave,s3,dbtime,4esel,s,type,4,4ekill,allallselsolvesave,s4,dbtime,5esel,s,type,5,5ekill,allallselsolvesave,s5,dbtime,6esel,s,type,6,6ekill,allallselsolvesave,s6,db第76页/共110页算例计算自重应力场5.岩土工程开挖卸

21、荷岩土工程开挖卸荷time,2esel,s,type,2,2ekill,allallselsolvesave,s2,dbtime,3esel,s,type,3,3ekill,allallselsolvesave,s3,dbtime,4esel,s,type,4,4ekill,allallselsolvesave,s4,dbtime,5esel,s,type,5,5ekill,allallselsolvesave,s5,dbtime,6esel,s,type,6,6ekill,allallselsolvesave,s6,db第77页/共110页算例结果观察5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷第7

22、8页/共110页算例结果观察5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷第79页/共110页算例结果观察5.岩土工程开挖卸荷岩土工程开挖卸荷第80页/共110页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 算例第81页/共110页5.3 5.3 岩土与结构岩土与结构物共同作用分析物共同作用分析结构单元 梁单元 板、壳单元第82页/共110页5.3 5.3 岩土与结构岩土与结构物共同作用分析物共同作用分析结构单元梁单元力学模型第83页/共110页5.3 5.3 岩土与结构岩土与结构物共同作用分析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第84页/共110

23、页5.3 5.3 岩土与结构岩土与结构物共同作用分析物共同作用分析梁单元与实体单元共同作用衬砌第85页/共110页5.3 5.3 岩土与结构岩土与结构物共同作用分析物共同作用分析梁单元与实体单元共同作用imjnSB1 2 3 4 5 6 7 8 9 10第86页/共110页5.3 5.3 岩土与结构岩土与结构物共同作用分析物共同作用分析结构单元板单元平板内力平板内力力学模型第87页/共110页5.3 5.3 岩土与结构岩土与结构物共同作用分析物共同作用分析结构单元板单元每个节点上的力和位移第88页/共110页5.3 5.3 岩土与结构岩土与结构物共同作用分析物共同作用分析实体单元和板单元共同作

24、用筏板桩地基第89页/共110页5.3 5.3 岩土与结构岩土与结构物共同作用分析物共同作用分析实体单元和板单元共同作用筏板桩地基第90页/共110页5.3 5.3 岩土与结构岩土与结构物共同作用分析物共同作用分析例地基、筏板和上部框架共同作用第91页/共110页5.3 5.3 岩土与结构岩土与结构物共同作用分析物共同作用分析例地基、筏板和上部框架共同作用第92页/共110页5.3 5.3 岩土与结构岩土与结构物共同作用分析物共同作用分析例地基、筏板和上部框架共同作用第93页/共110页5.3 5.3 岩土与结构岩土与结构物共同作用分析物共同作用分析例地基、筏板和上部框架共同作用第94页/共1

25、10页5.3 5.3 岩土与结构岩土与结构物共同作用分析物共同作用分析例地基、筏板和上部框架共同作用第95页/共110页5.4 岩土工程动态施工的有限元模拟 体系的平衡 力和位移的变化第96页/共110页体系的平衡构形5.4 5.4 动态动态施工的模拟施工的模拟内力外力平衡第97页/共110页力和位移的变化构形5.4 5.4 动态动态施工的模拟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n 结构变化n 形状变化n 受力变化n 参数劣化第98页/共110页算例问题描述5.4 5.4 动态动态施工的模拟施工的模拟第99页/共110页算例岩体材料力学模型和参数5.4 5.4 动态动态施工的模拟

26、施工的模拟采用理想弹塑性模型第100页/共110页算例支护结构参数5.4 5.4 动态动态施工的模拟施工的模拟采用理想弹塑性模型第101页/共110页算例选择单元5.4 5.4 动态动态施工的模拟施工的模拟n 岩体采用实体单元n 混凝土中隔墩采用实体单元n 衬砌采用梁单元n 锚杆采用杆单元第102页/共110页算例建立模型5.4 5.4 动态动态施工的模拟施工的模拟第103页/共110页算例建立模型5.4 5.4 动态动态施工的模拟施工的模拟第104页/共110页算例建立模型5.4 5.4 动态动态施工的模拟施工的模拟第105页/共110页算例建立模型5.4 5.4 动态动态施工的模拟施工的模拟第106页/共110页算例结果观察5.4 5.4 动态动态施工的模拟施工的模拟第107页/共110页算例结果观察5.4 5.4 动态动态施工的模拟施工的模拟第108页/共110页算例结果观察5.4 5.4 动态动态施工的模拟施工的模拟第109页/共110页感谢您的观看！第110页/共110页