midas gts NX桥台基础施工阶段分析

BasicTutorialsChapter6.桥台基础施工阶段分析Chapter6.桥台基础施工阶段分析1桥台基础施工阶段分析1.1学习目的按施工阶段评估桥台基础的水平位移及桩的稳定性。本例摒弃了较为简单的梁单元方式，转而采用桩单元来分析岩土-结构的相互作用。桩单元类似于嵌入梁单元形式，所以不需要共享节点，方便了三维建模时的使用；同时桩单元形式能够评估桩和相邻岩土之间界面影响，这对模拟岩土-结构的相互作用有很大帮助。本教程分析了三维桥台基础建模，分析基于堆土体和荷载的各阶段基础的变形及桩基础的构件力。结果分析分为直接适用基础的情况和添加桩基础来减少下部下沉的情况。在一个模型内可以创建两种施工阶段分析工况来比较结果。此外，可在基础板上部添加测壳(GaugingShell)用以计算结构构件力，结构构件力会影响在荷载上建造的基础板。通过本例题可以学习如下主要功能及分析方法。•三维地层建模(Mohr-Coulomb模型适用)•Pile单元建模(基于荷载加载的桩柱面摩擦力研究)•设置荷载加载步骤•按阶段检查桥台水平位移•按阶段生成荷载-下沉结果图•适用测壳单元(GaugingShell)(实体单元的切面构件力研究)Section1学习目的及概要▶分析模型概要图Chapter6.桥台基础施工阶段分析BasicTutorials2|Chapter6.桥台基础施工阶段分析1.2模型及分析概要在本例题中，模型由相互不同的3个地层和邻接倾斜地基的桥台基础桩组成。本例将执行基于堆土体施工及荷载加载的施工阶段分析。在6.4x10m的基础板上端建模桥台，在堆土体上部把100(kN/m2)的荷载分成5阶段加载。在每一阶段中，桥台水平位移及下沉趋势将被分析。同时我们将在基础下部添加20个规格为600x12mm的钢管桩。然后分析其对基础沉降的影响。通过将建造过程分为两个阶段——生成适用桩基础前/后的两种施工阶段进行分析对比，我们可以判断桩基础的适用性。地层构成和模型区域如下图。6.5m6.5m3m5m24m13m11m41.4m17.4mZX3m12m.65Φ600×12mm6.4m9.3m.65.652222.651.31.32.5▶分析切面图BasicTutorialsChapter6.桥台基础施工阶段分析Chapter6.桥台基础施工阶段分析3[启动附加的开始文件(06_PileElement_start)]*:分析分析工况设置(AnalysisAnalysisCaseGeneral)设置模型种类、重力方向及初始变量，确认分析上使用的使用单位制。单位制可在建模过程及确认分析结果时修改，根据输入的参数将被自动换算成设置的单位制。本例题是以Z轴为重力方向的三维形状，单位制使用SI单位(kN,m)。Section2设置分析条件Chapter6.桥台基础施工阶段分析BasicTutorials4|Chapter6.桥台基础施工阶段分析定义岩土及结构材料后，在创建网格时定义各单元上分配的特性。3.1定义岩土及结构材料岩土材料适用分析一般性弹塑性行为的莫尔-库伦模型，结构材料同时适用不考虑材料非线性的弹性模型和为分析桩柱面摩擦力的桩单元。各地层/结构构件上使用的材料如下表。名称风化土风化岩软岩堆土体桥台材料各向同性各向同性各向同性各向同性各向同性模型类型莫尔-库伦莫尔-库伦莫尔-库伦莫尔-库伦弹性一般弹性系数(E)1.2E+041.2E+051.2E+063.0E+042.1E+07泊松比(v)0.330.30.250.30.18单位重量(r)1920241825Ko0.50.50.740.51非线性粘着力23420015-摩擦角28333725-区分桩桩(界面)材料各向同性接触和桩模型类型弹性桩弹性系数(E)2.10E+08-泊松比(v)0.3-单位重量(r)74-极限剪切力-650剪切刚性系数(kt)-50000正交刚性系数(kn)-500000Section3定义材料及特性▶表.岩土材料▶表.结构材料BasicTutorialsChapter6.桥台基础施工阶段分析Chapter6.桥台基础施工阶段分析5桩单元响应可以分为两个部分：法线方向响应和切线方向响应。首先假设法线方向响应为桩和岩土单元进行完全一致的刚体运动。然后切线方向的响应视作非线性弹性行为。非线性弹性响应区分为定义屈服力的方法和用函数定义的方法。下图是指在按屈服力定义的情况下，相对位移和摩擦力的关系。如果使用函数定义，相对位移-摩擦力的关系可以更加精确。桩末端单元起着岩土单元和桩端的一个节点之间的相对响应的作用，即，Solid-pointInterface作用。在桩末端单元的单元坐标轴上，分析过程中，将对桩的法线方向响应假设为和桩的响应同一的进行刚体运动，切线方向响应视作非线性弹性行为。为定义响应的桩单元的材料及特性，本例中基于LoadTest进行条件输入。关于更多输入桩单元参数的相关内容请参考用户手册第四章(一般材料)或者F1(在线指南)。Chapter6.桥台基础施工阶段分析BasicTutorials6|Chapter6.桥台基础施工阶段分析3.2定义特性对于岩土特性，设置使用什么样的岩土材料。对建筑特性设置结构特性，设置结构构件种类及切面形状（切面刚性）。若和本例题一样适用桩单元，则可以额外设置桩前端上的支撑力和刚性系数。通过使用梁单元作为抗轴/剪切/扭转的结构构件，并且定义桩周围和前端上的刚性，可以确定与相邻岩土的摩擦行为和相对位移。桩单元也和界面单元一样，因为和相邻岩土不共享节点，所以在建模三维时可以方便适用。测壳单元在实体单元的边界面上，要分析结构构件力的情况下，可以追加生成。在本例题上，为了研究基础板上作用的轴力/剪切力/力矩等的构件力，在基础板上部面创建测壳单元。各岩土的特性如下表。名称风化土风化岩软岩堆土体桥台特性3D3D3D3D3D材料风化土风化岩软岩堆土体桥台各结构构件的特性如下表。若设置切面形状则自动计算切面刚性。名称桩桩(界面)桩末端测壳种类1D1D其它2D模型类型梁-桩端测量板材料桩桩--切面形状管---切面大小600x12---厚度-1--末端支撑力--4000-末端弹簧刚性--160000-刚性增量系数---1e-06▶表.岩土特性▶表.结构特性BasicTutorialsChapter6.桥台基础施工阶段分析Chapter6.桥台基础施工阶段分析7[开始建模]本例题针对三维形状及单元生成的建模过程和按基础形式下沉趋势的分析的重点，从为了岩土/结构材料特性及三维模型的基本的形状输入的文件开始学习。4.1几何形状建模*:几何顶点与曲线直线(GeometryProtrudeExtrude)是选择点、线、面形状，制作比其高级形状的线、面、实体形状的过程。形成闭合区域的线的情况下，可以一次性生成实体。创建三维地基区域、桥台基础及堆土体实体后，创建为区分各地层的面。•目标形状选择地基区域面(1个)。•延伸扩展:方向选择Y轴后长度上输入分析区域的60(m)。•选择适用键，确认生成的实体。•目标形状选择桥台面(2个)。•方向选择Y轴后，输入桥台长度10(m)，选择适用键。•目标形状选择堆土体面(3个)。•方向选择X轴后，以整体坐标系为准勾选反向。•长度输入10(m)后选择适用键。选择目标形状及方向时，可以在模型目录树上选择相应的目标或在Model屏幕上直接选择。•用同样的方法创建分割地层的面。•把选择过滤条变更为线，目标形状选择地层线(2个)。•方向选择Y轴后输入可以分割地基区域的大小70(m)。•取消勾选反向后，点击确认键。Section4建模▶创建地基/结构实体Chapter6.桥台基础施工阶段分析BasicTutorials8|Chapter6.桥台基础施工阶段分析创建分割实体的面时，最好输入充分大于实体的尺寸。面的大小小于实体时，即使它的差异细微也不能分割。*:几何转换旋转(GeometryProtrudeRevolve)按输入的角度旋转点、线、面的形状，制作高级形状的线、面、实体的过程。旋转堆土体的一部分面，建模优角的弯曲的倾斜部实体。•目标形状选择如下图堆土体倾斜部的面。•旋转轴选择2点矢量，如下图，依次选择2点矢量。•角度输入90后，选择形状预览键，确认生成的形状。•用同样的方法生成反面优角实体。2点矢量:选择两点把经过两点的方向矢量设置为标准轴。这时选择点的顺序将成为矢量方向。旋转角度(+)值是指顺时针方向旋转。▶创建堆土体实体BasicTutorialsChapter6.桥台基础施工阶段分析Chapter6.桥台基础施工阶段分析9*:几何延伸扩展(GeometryProtrudeExtrude)完成创建堆土体和桥台接合部的实体。•目标形状选择如下图优角实体内部面。•方向勾选正交轮廓。•长度输入10(m)后，选择确认键，确认生成的实体。*:几何分割实体(GeometryDivideSolid)是为区分地层而分割区域的过程。利用地层面分割生成的实体。•目标实体选择生成的岩土区域实体。•辅助面选择所有生成的地层面(2个)。•选择确认键，确认分割的区域。▶完成堆土体实体▶完成地层分割Chapter6.桥台基础施工阶段分析BasicTutorials10|Chapter6.桥台基础施工阶段分析BasicTutorialsChapter6.桥台基础施工阶段分析Chapter6.桥台基础施工阶段分析11*:几何布尔运算实体(GeometryBooleanSolid)是通过实体运算工作合并或删除重叠部分的过程。可以为方便选择把迄今为止分多阶段生成的堆土体实体合并成一个实体。•选择并集表单。•目标实体选择通过前面过程生成的堆土体实体(6个)。•勾选合并面后，选择确认键。*:形状曲面与实体自动连接(GeometrySurface&SolidAutoConnect)是删除生成的所有实体之间重叠的部分自动生成共享面的过程。只有生成了共享面才能在生成单元时在各区域边界部分上连接节点。•选择工作空间上的所有实体(6个)后，选择确认键。为防止单元之间没有连接节点而发生的错误分析，应当在生成单元之前确认是否生成共享面。用共享面自动生成功能可以一次性的生成所有实体间的共享面，通过形状工具检查形状检查重叠形状可以确认共享面生成与否。▶合并堆土体实体▶检查重叠形状–自动生成共享面Chapter6.桥台基础施工阶段分析BasicTutorials12|Chapter6.桥台基础施工阶段分析BasicTutorialsChapter6.桥台基础施工阶段分析Chapter6.桥台基础施工阶段分析134.2创建网格网格的形状及品质在有限元分析上是非常重要的。主要在基于压缩、剪切变形的发生塑性破坏的岩土的情况下，三维以六面体为中心、二维以矩形为中心生成单元对稳定性分析更有帮助。利用映射网格以及六面体中心的混合自动网格功能生成单元。单元越小越能生成好品质，但为了考虑分析的效率性最好认真考虑单元大小。*:网格生成三维(MeshGenerate3D)是在三维岩土区域上创建单元的过程。选择岩土/结构实体创建单元。创建单元时可以按各实体分配特性。可以个别性选择实体指定特性，也可以一次性生成整体实体单元后按各区域简单的修改参数。包含混凝土结构的堆土体、风化土区域按混合形状、下端的风化岩及软岩层按映射网格，最大限度地生成六面体形状的网格。•选择自动-实体表单。•选择4个(桥台、基础板、堆土体、风化土层)实体。•单位大小输入1。•在Dropdown菜单上选择混合网格生成器(六面体中心)。•选择预览键，预先确认要生成的单元节点。•选择适用键，确认生成的单元。•选择映射-实体表单。•选择风化岩、软岩层实体(2个)。•单元大小上输入1后选择确认键。▶创建实体单元Chapter6.桥台基础施工阶段分析BasicTutorials14|Chapter6.桥台基础施工阶段分析*:网格生成一维(MeshGenerate1D)是创建桩模型的