1、Ansys在土木工程结构计算方面的最在土木工程结构计算方面的最新工作新工作 杨令强杨令强 博士博士济南大学土木工程系济南大学土木工程系概 述 背景背景 应用实例介绍应用实例介绍 今后开展的工作今后开展的工作 结论结论背景（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；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、可靠的捷径经济、可靠的捷径；计算力学的发展为结构数值
2、分析提供了理论基础，有限差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、边界元法分法、有限元法、边界元法，新算法研究（并行计算、结，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；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。建模技术、并行大容量计算系统、网络计算机。背景（2）1991年，美国年，美国“国家关键技术委员会国家关键技术委员会”提出计算机仿真分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；析与建模
3、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工程研究进入新时期，美国自然科学基金建立机构“George E.Brown Jr.Network for Earthquake Engineering Research(NEES)”，专门从事地震工程研究，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。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个装备先进的大型实验室+网络计算系统网络计算系统NEESgrid；数值分析的实现需要操作者具备良好的计算力学基础数值分析的实现需要操作者具备良好的计算力学基础+
4、工工程结构知识程结构知识+分析经验，熟练建模、选择计算方法、对结果分析经验，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。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。越来越高。项目介绍u 成都市市政中心抗震性能分析成都市市政中心抗震性能分析u 某雷达天线塔考虑土某雷达天线塔考虑土-桩桩-上部结构共同工作自上部结构共同工作自振特性研究振特性研究u 福堂水电站调压井开挖稳定性分析福堂水电站调压井开挖稳定性分析u 高技术厂房结构微振响应分析高技术厂房结构微振响应分析成都市政中心4
5、号搂典型平面图典型平面图l 结构总高度结构总高度72.4m，总宽，总宽52.5m，单肢宽，单肢宽13.5m。结构长度结构长度134.368m；l 结构沿结构沿x轴对称，沿轴对称，沿y轴严重不对称，竖向布置轴严重不对称，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。向左偏移，各层质量、刚度相差较大。层平面图第一层第一层第十一层第十一层第十五层第十五层第四层第四层有限元建模杆件单元：杆件单元：BEAM188楼板、墙单元：楼板、墙单元：SHELL181整个模型共为整个模型共为69243个单元、个单元、55907个节点
6、个节点 SHELL181oAouou混凝土本构关系ooou0033.0002.000 cucf Saenz公式表示的混凝土应公式表示的混凝土应力力-应变关系应变关系计算中简化的混凝土本构计算中简化的混凝土本构关系关系钢材用两线型本构模型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屈服准则屈服准则+随动强化模型随动强化模型输入地震波-1 0 0-5 005 01 0 001 02 03 04 0t(s)a(gal)-1 0 0-5 005 01 0 001 02 03 04 0t(s)a(gal)人工模拟波人工模拟波美国美国San Ferna
7、ndo M6.5 地地震记录二个分量震记录二个分量 结构自振周期及振型第一周期第一周期1.69s第三周期第三周期1.12s第二周期第二周期1.54s位移反应iabcdhefg02468101214161820-0.4-0.3-0.2-0.100.10.20.3时间移位A线顶层位移时程比较曲线A1波 TH1波 02468101214161820-0.2-0.15-0.1-0.0500.050.10.150.2E点顶层Y向位移时程比较曲线时间移位A1波 TH1波 02468101214161820-0.2-0.15-0.1-0.0500.050.10.15F点顶层Y向位移时程比较曲线时间移位A1波
8、 TH1波 02468101214161820-0.05-0.04-0.03-0.02-0.0100.010.020.030.04G线顶层Y向位移时程比较曲线时间移位AI波 TH1波 00.050.10.150.20.250.30.35024681012141618Y向位移最大值A1波位移包络线号层楼a e f g h n m 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/U013.081.621.913.842.001.923.701.951.90320.110.91.8424.4
9、13.61.8023.513.21.78431.717.41.8238.023.61.6137.121.41.73659.833.11.8171.045.11.5770.041.01.71775.841.21.8989.455.41.6188.650.61.751012965.71.9715584.61.8415178.21.931216789.31.872031171.741931021.8814205120.01.702491521.632341391.6815223140.01.592711761.542541611.57层间位移00.0020.0040.0060.0080.010.01
10、20.0140.0160.0180.02024681012141618层间相对位移值号层A1波层间位移 a e f g h 00.0050.010.0150.020.025024681012141618TH1层间位移位移值号层a h e f g 变形形式：头部弯剪型，尾部弯曲型变形形式：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/fcA15260.0174780.0273560.02622810.0091350.0082800.02034500.0144460.02610930.07944100.0134460.02679
11、80.05854470.0146050.0353720.035TH1波作用下柱最大剪力及剪压比波作用下柱最大剪力及剪压比 柱等效应力柱等效应力楼板应力反应大震下位移反应00.050.10.150.20.250.30.35024681012141618弹塑性分析各点包络线比较图 数层 位移反应最大值 A点 H点 E点 F点 G点00.050.10.150.20.250246810121416弹 塑 性 分 析 各 点 位 移 包 络 线位 移 值：m层数nmaefgh00.0050.010.0150.020.0250.030246810121416TH1波弹塑性分析层间位移曲线位移值（单位：m）
12、层数nmaefgh00.0050.010.0150.020.025024681012141618AHEFGA、H、E、F、G点层间位移比较 数层 层间位移 4号楼抗震性能分析结论该结构具有较好的抗震性能，中震作用下，结构基本处该结构具有较好的抗震性能，中震作用下，结构基本处于弹性状态，大震作用下，有足够的抵御变形的能力，保于弹性状态，大震作用下，有足够的抵御变形的能力，保证不倒塌。证不倒塌。中震作用下，结构变形呈弯剪型，无位移薄弱层。中震作用下，结构变形呈弯剪型，无位移薄弱层。剪力墙承担了剪力墙承担了85%的总剪力，说明剪力墙布置合理。结的总剪力，说明剪力墙布置合理。结构左端剪力墙形成的筒体为
13、薄弱区域，在中震作用下，局构左端剪力墙形成的筒体为薄弱区域，在中震作用下，局部达到屈服状态，应予以加强。部达到屈服状态，应予以加强。柱剪压比能满足规范规定的小震下的限值，表明柱的抗柱剪压比能满足规范规定的小震下的限值，表明柱的抗剪承载力较高。轴压比均不大于剪承载力较高。轴压比均不大于0.7，应力分析表明，柱，应力分析表明，柱未见屈服。未见屈服。梁在圆弧端部和与连廊连接的部位出现明显的轴力，设梁在圆弧端部和与连廊连接的部位出现明显的轴力，设计时应按偏压（拉）构件计算计时应按偏压（拉）构件计算 雷达天线塔考虑土-桩-上部结构共同工作自振特性研究 某雷达天线塔，高某雷达天线塔，高9 m，半径，半径3
14、.2 m,采用人工挖孔扩底灌采用人工挖孔扩底灌注桩基，共注桩基，共8根桩，桩径根桩，桩径1m，承台厚，承台厚1.3m，位于较软弱的地，位于较软弱的地基上。基上。因工艺要求需要了解结构的自振频率因工艺要求需要了解结构的自振频率有限元模型 采用三维实体元，上部结构单元数采用三维实体元，上部结构单元数3287232872，节点，节点113921113921，地基、承台和桩单元数地基、承台和桩单元数1786517865，节点数，节点数4625746257。地基范围取地基范围取2.5倍承台直径，四周为对称边倍承台直径，四周为对称边界，底部固定。界，底部固定。分析工况 上部结构上部结构-土土-桩全系统自振
15、频率桩全系统自振频率分析；分析；用弹簧替代土模型自振频率分析，用弹簧替代土模型自振频率分析，弹簧刚度系数由地基土的静力分析弹簧刚度系数由地基土的静力分析获得；获得；自振频率影响因素研究。自振频率影响因素研究。工况1分析结果第一振型，第一振型，f1=1.6093Hz 第二振型，第二振型，f2=1.6098Hz 第三振型，第三振型，f3=1.9612Hz 如不考虑土的影响，按如不考虑土的影响，按结构基顶固定考虑第一结构基顶固定考虑第一频率为频率为32Hz。工况2分析结果f1=3.35Hzf2=8.45Hzf3=16.95Hzf4=21.20Hzf5=32.74Hz工况3分析结果1234567891
16、0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模拟不同加固地基情况时结构的自振频率模拟不同加固地基情况时结构的自振频率注：注：第一次换土指（-0.34.3）m的土换为混凝土材料，第二次换土指桩底高度1m以上的原土换为C15混凝土。小结小结 当土较软弱时，土当土较软弱时，
17、土-桩桩-上部结构共同作用效应显上部结构共同作用效应显著，计算结构的自振特性应考虑土著，计算结构的自振特性应考虑土-桩桩-上部结构的上部结构的共同工作；共同工作；当采用全模型计算结构的特征值时，应正确判断当采用全模型计算结构的特征值时，应正确判断结构的模态和土局部模态；结构的模态和土局部模态；利用土弹簧模型计算特征值是可行的，但要考虑利用土弹簧模型计算特征值是可行的，但要考虑合理的方法确定弹簧刚度。合理的方法确定弹簧刚度。福堂水电站调压井开挖稳定性分析建立三维有限元模型，研究在自重荷载作用下建立三维有限元模型，研究在自重荷载作用下围岩与衬砌的受力和变形情况，根据现场监测围岩与衬砌的受力和变形情
18、况，根据现场监测数据，反演初始地应力和材料参数。数据，反演初始地应力和材料参数。利用利用ANSYS软件的生死单元功能模拟调压井的软件的生死单元功能模拟调压井的施工开挖状况，以确定合理的施工顺序和施工施工开挖状况，以确定合理的施工顺序和施工方法。分析施工过程围岩的稳定性，研究调压方法。分析施工过程围岩的稳定性，研究调压井在支护、钢筋混凝土衬砌及围岩共同作用下井在支护、钢筋混凝土衬砌及围岩共同作用下的工作性能。的工作性能。工程概况工程概况福堂水电站位于四川省阿坝藏族羌族自福堂水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州汶川县境内的岷江干流上，装机容治州汶川县境内的岷江干流上，装机容量量360MW360MW，
19、由首部枢纽、引水系统和厂区，由首部枢纽、引水系统和厂区枢纽组成。引水隧洞全长约枢纽组成。引水隧洞全长约20km20km，最大，最大引用流量引用流量251m251m3 3/s/s；调压井设计为开敞差；调压井设计为开敞差动式，圆形断面，内径动式，圆形断面，内径31m31m，深，深110m,110m,为为亚洲第一深井。亚洲第一深井。有限元模型有限元模型围岩部分采用八节点六围岩部分采用八节点六面体单元面体单元Solid45及其锐化及其锐化的十节点四面体单元的十节点四面体单元Solid92，衬砌部分采用混，衬砌部分采用混凝土单元凝土单元Solid65。模型边界条件：四周侧模型边界条件：四周侧立面采用对称
20、边界条件，立面采用对称边界条件，底部采用固定约束。底部采用固定约束。材料分两层：上部为四材料分两层：上部为四类岩体，下部为三类岩体。类岩体，下部为三类岩体。单元数单元数6931669316、节点数、节点数3680336803。反演分析高程实测应力（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实测位移与计算位移对比表实测位移与计算位移对比表 根据勘测资料建议范围取不同的参数组合，利用现场监测数根据勘测资料建议范围取不同的参数组合，利用现场监测数据，反复试算、反演；据，反
21、复试算、反演；反演条件主要考虑不同高程后边坡的沉降为控制值；反演条件主要考虑不同高程后边坡的沉降为控制值；确定弹性模量为确定弹性模量为1260m高程以上高程以上E=2.5GPa，1260m高程下高程下部为部为E=7GPa。自重荷载作用下结构变形情况自重荷载作用下结构变形情况整体结构变形图整体结构变形图Z向位移分布图向位移分布图 最大竖向位移为最大竖向位移为10.8mm，发生在后边坡，井周最大竖向，发生在后边坡，井周最大竖向位移位移6.5mm 自重荷载作用下自重荷载作用下衬砌变形衬砌变形情况情况井筒径向位移井筒径向位移最大值最大值6.19mm，发，发生在后边坡侧生在后边坡侧1260m高程高程；井
22、筒环向位移井筒环向位移最大值约最大值约5mm，发生在福堂沟发生在福堂沟侧侧 结构等效应力分布图结构等效应力分布图衬砌等效应力分布图衬砌等效应力分布图开挖稳定性分析 研究随开挖、衬砌的进行，调压井围岩的应力和位移的变化研究随开挖、衬砌的进行，调压井围岩的应力和位移的变化规律。规律。通过对比分层开挖围岩应力与位移的变化，研究不同开挖施通过对比分层开挖围岩应力与位移的变化，研究不同开挖施工方法对围岩稳定的影响。工方法对围岩稳定的影响。一次开挖、一次衬砌一次开挖、一次衬砌 一次衬砌一次衬砌两层开挖、两次衬砌两层开挖、两次衬砌 未开挖未开挖一次开挖一次开挖衬砌衬砌1未开挖未开挖开挖开挖1衬砌衬砌2开挖开
23、挖2应用生死单元应用生死单元开挖分析应力位移结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.
24、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21-7.780.39-0.07-0.412-0.66-3.49-0.10-0.9130.56-0.44-0.09-0.3940.253.48-0.09-0.991260m高程截面控制点的应力位移值表高程截面控制点的应力位移值表 一次性开挖时一次性开挖时1260m高程截面高程截面控制点的应力位移值表控制点的应力位移值表 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
25、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结果分析结果分析 调压井有限元分析结果与监测成果基本相符，表明模调压井有限元分析结果与监测成果基本相符
26、，表明模型合理地模拟了复杂地形对结构体的影响。型合理地模拟了复杂地形对结构体的影响。衬砌的分析表明其内力分布不均匀，局部应力较大。衬砌的分析表明其内力分布不均匀，局部应力较大。计算显示后边坡侧的变形较大，应该加强锚固，进行计算显示后边坡侧的变形较大，应该加强锚固，进行变形监测，以防边坡滑移和塌落影响调压井的正常使变形监测，以防边坡滑移和塌落影响调压井的正常使用。用。通过通过“二次开挖、衬砌二次开挖、衬砌”与与“一次性开挖、衬砌一次性开挖、衬砌”的的计算结果对比分析计算结果对比分析,表明分层开挖时围岩应力、应变变表明分层开挖时围岩应力、应变变化幅度相对较小化幅度相对较小,有利于围岩稳定。有利于围
27、岩稳定。根据现场监测数据，进行的材料弹性模量的反演计算，根据现场监测数据，进行的材料弹性模量的反演计算，所确定的参数能基本反映材料的性能。有一定的可靠所确定的参数能基本反映材料的性能。有一定的可靠度。为下一步多参数反演分析打下了基础。度。为下一步多参数反演分析打下了基础。今后开展的工作 结构类型：建筑结构、桥梁结构、岩土工程、道路工结构类型：建筑结构、桥梁结构、岩土工程、道路工程、地下工程、水工结构等程、地下工程、水工结构等 分析项目：非线性静、动力分析、弹塑性分析、地震分析项目：非线性静、动力分析、弹塑性分析、地震反应分析、温度应力分析、上下部共同作用分析、工程反应分析、温度应力分析、上下部共同作用分析、工程安全稳定分析、施工模拟分析安全稳定分析、施工模拟分析 分析手段：利用通用软件、计算平台，针对特殊结构分析手段：利用通用软件、计算平台，针对特殊结构进行软件再开发或编写程序。联合工程单位申报科研课进行软件再开发或编写程序。联合工程单位申报科研课题，联合攻关，共同解决工程难题。题，联合攻关，共同解决工程难题。结论数值分析已成为结构研究的主要手段之一，涉及土木工程的各个领域；数值分析以计算力学为基础，计算机科学为手段，正飞速发展，解决越来越多的工程问题；数值分析是一项更高依赖智力的工作，成功的实施需要理论、经验和软件。谢谢你的阅读v知识就是财富v丰富你的人生
