一種基于ansys的多錨點全埋式抗滑樁計算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于ANSYS的多錨點全埋式抗滑樁計算方法，包括下列步驟：(1)建立樣板數(shù)據(jù)庫，輸入樁長、樁截面、推力大小及分布形式、樁周土；(2)設定模擬單元；(3)輸入多錨點全埋式抗滑樁中三種單元的材料參數(shù)，包括梁單元的彈模、泊松比和密度，錨索鏈桿單元的彈模和泊松比，地基反力的彈簧單元的變形模量；(4)建立模型；(5)定義UX、UY約束；(6)加載，將滑坡推力施加于滑面以上的抗滑樁單元上；(7)求解計算，進行有限元計算，導出計算結果。本發(fā)明填補了多錨點全埋式抗滑樁設計計算的空白，能夠方便快捷地設計計算多錨點全埋式抗滑樁，大大縮短計算時間。
【專利說明】
-種基于ANSYS的多貓點全埋式抗滑巧計算方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及滑坡治理領域，具體是指一種基于ANSYS的多錯點全埋式抗滑粧計算 方法。
【背景技術】
[0002] 戒臺寺滑坡的治理屬于搶險工程，一期工程完成后，現(xiàn)場勘察工作尚在進行。由于 后續(xù)設計工作難W做到一步到位，因此需要實行"動態(tài)設計，信息化施工"，由設計指導施 工，通過施工反饋調(diào)整設計，W達到整治工程設計的最優(yōu)化。
[0003] 在地質編錄過程中發(fā)現(xiàn)，滑動面比原推測的要深，滑坡推力自然要比原設計時要 大，必須作出設計調(diào)整。欲抵抗更大推力，有多種方式。一是可加大抗滑粧截面和粧長，同時 增加粧頭錯索數(shù)量。運樣W來，抗滑粧巧工量倍增，鋼筋、混凝±用量會有較大程度的增加， 不僅加大投資成本，且粧頭錯索過于密集，可能會導致群錯效應，影響錯固效果。
[0004] 我們對推力與粧抗力的進行反復檢算、論證，調(diào)整了增加的錯索位置，將其移至粧 坑內(nèi)部，形成多錯點粧，設計出了一種新型抗滑結構稱之為"多錯點全埋式抗滑粧"。多錯點 全埋式抗滑粧仍系主動式受力結構。隨著錯索錯固位置的不同，多錯點全埋式抗滑粧受力 變成了多點近似較接，端點近似彈性固定端的連續(xù)梁式結構。多錯點全埋式抗滑粧，實質上 是給滑坡主動施加了多個阻止其下滑的外力，全方位限制了滑體的移動，張拉完成后可立 即阻止滑坡的活動，穩(wěn)定滑坡。他比單錯點抗滑粧的近似簡支梁結構受力更為合理，從而改 善了粧身受力分布，可W有效控制粧身位移，進而治理工程造價。
[0005] 多錯點全埋式抗滑粧(圖1)與普通錯索粧(圖2)相比較，在粧身滑面W上不同位置 設置了多點錯索，而不是僅集中于粧頭部位。因此，改善了普通錯索粧的簡支梁受力狀態(tài)， 變?yōu)轭愃七B續(xù)梁的受力結構，從而有效減小了粧截面尺寸及粧置于穩(wěn)定地層中的錯固長 度，有較大的推廣應用前景。
[0006] 但是關于多錯點全埋式抗滑粧，運種新型抗滑結構的設計計算，目前還沒有一套 成熟的計算理論。目前計算軟件不完善，難W考慮粧中錯點的受力情況，難W計算粧身內(nèi)力 粧身內(nèi)力及錯索受力情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于:克服現(xiàn)有技術上述缺陷，提供一種基于ANSYS的多錯點全埋式 抗滑粧計算方法。本發(fā)明填補了多錯點全埋式抗滑粧設計計算的空白，能夠方便快捷地設 計計算多錯點全埋式抗滑粧，大大縮短計算時間。
[000引本發(fā)明通過下述技術方案實現(xiàn)：
[0009] -種基于ANSYS的多錯點全埋式抗滑粧計算方法，包括下列步驟：
[0010] (1)建立樣板數(shù)據(jù)庫，輸入滑坡推力大小、滑面深度和粧截面大?。?br>[0011] (2)設定模擬單元，如抗滑粧采用beam3單元，每0.5m作為1個單元，錯索采用 LINK10單元，每1 .Om作為1個單元，地基反力采用C0MBIN14彈黃單元模擬，粧長方向每1 .Om 設置1個彈黃單元，彈黃單元長1. Om;
[0012] (3)輸入多錯點全埋式抗滑粧中=種單元的材料參數(shù)，包括梁單元的彈模、泊松比 和密度，錯索鏈桿單元的彈模和泊松比，地基反力的彈黃單元的變形模量；
[OOU] (4)建立模型；
[0014] (5)定義 UX、UY 約束；
[0015] (6)加載，將滑坡推力施加于滑面W上的抗滑粧單元上；
[0016] (7)求解計算，進行有限元計算，導出計算結果。
[0017] 在步驟(4)中，可采用直接建模或間接建模，直接建模通過建立節(jié)點，由節(jié)點生成 單元;間接建模為用點、線畫好抗滑粧單元，再網(wǎng)格化生成單元。
[0018] 在步驟(7)中，由計算機進行有限元計算，若出現(xiàn)計算結果不收斂的情況，則需限 定循環(huán)的次數(shù)及計算子步數(shù)，再重新進行計算。。
[0019] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有W下優(yōu)點及有益效果:本發(fā)明填補了多錯點全埋式 抗滑粧設計計算的空白，能夠方便快捷地設計計算多錯點全埋式抗滑粧，大大縮短計算時 間。
【附圖說明】
[0020] 圖1為多錯點全埋式抗滑粧的使用示意圖。
[0021 ]圖2為普通錯索粧的使用示意圖。
[0022] 圖3為單元荷載及位移示意圖。
[0023] 圖4為在ANSYS8.1軟件中運行過程示意圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面結合附圖對本發(fā)明進行進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此：
[0025] 有限元計算抗滑粧，主要目的是計算抗滑粧在滑坡推力荷載下的粧身內(nèi)力及粧身 變形?；炯俣?①結構在荷載范圍內(nèi)未發(fā)生破壞。②結構只發(fā)生彈性變形，無塑性變形產(chǎn) 生。基本思路和原理如下所述：
[0026] (1)單元剛度矩陣
[0027] 局部坐標下，單元節(jié)點位移分量和節(jié)點的正方向如圖3所示。對抗滑粧而言，不考 慮軸力產(chǎn)生彎曲的作用，軸向力的作用僅在于使構件產(chǎn)生軸向變形。
[0028] 建立桿端力與桿端位移間的關系，即用矩陣形式來表示轉角位移方程。設單元編 號為(e)的兩端點i、jni端的軸力F'Bni、剪力F'Bsi、彎矩M'6i和j端的軸力F'Bnj、剪力F'Bsj、彎 矩M'e^，它們相對應的位移有U'6i、V'ei、d) "1和U'VV'V W正負號規(guī)定:軸力WX軸為 正，剪力y軸為正，彎矩逆時針為正。查表(單位位移時的結點反力表），根據(jù)疊加原理有：
[0029]
[0030]
[0031]
[0032]
[0033]
[0034]
[0035] 即得兩端承受彎矩、剪力的平面梁單元在局部坐標系下的單元平衡方程和單元剛 度矩陣如下：
[0036]
[0037]
[00；3 引
[0039]單元平衡方程式也可W寫成如下分塊形式：
[0040；
[0041] 上式中每個子矩陣/T、…、巧都是一個=階子塊。把巧^簡稱為e號桿i端的近端 剛度，馬簡稱為i端的遠端剛度。同樣，對e號桿j端而言，巧為其近端剛度，為其遠端剛 度。進行一般性分析，上式往往比較簡單，也具有明確的物理意義。其中。'6、5'6分別稱為單 元桿力列向量和桿端位移向量，K'6稱為單元剛度矩陣(簡稱單剛）。單元剛度矩陣毎一元素 的物理意義是:所對應的桿端位移分量等于1(其余桿端位移為0)時所引起的其所在行對應 的桿端力分量的數(shù)值。
[0042] 在前面的討論當中，節(jié)點總數(shù)NJ包括支承約束的結點個數(shù)，因此，所建立的結點平 衡方程組是無約束結構平衡方程組。
[0043] (2)結構剛度矩陣
[0044] 在結構中，給毎桿桿件編號，毎結點編號。毎個結點的位移A i表示為
[0045]
[0046] ]力可表示為：
[0047]
[0048] 考慮結構的平衡條件和變形連續(xù)條件(主要是結點處）。
[0049] 由平衡條件有：
[0050] Fxi= EjFJxi( j單元與結點i相連，下同)
[0051] ^=EjFV [0化2] Mi= E jM-^i
[0化3] 寫成巧降的形式有：
[0化4]
[0化日]可簡寫成：
[0化6] Fi=EjFJj (b)
[0057]而上式可用下列式表示(桿端力列向量可桿端位移列向量表示）：
[00則 FJi= EhkihSh化與i結點為同一桿件的端點，可h = i) (c)
[0059] 再由變形條件有：
[0060] Ai=E5Ji (d)
[0061] 將(c)、（d)式代入(b)式，用于結構中所有結點寫成矩陣表示有：
[0062] F=K A
[0063] 稱為結構的原始剛度方程，K為結構的原始剛度矩陣，也稱總剛度矩陣，與單位矩 陣一樣，具有對稱性、奇異性。①.總剛中的主子塊由結點i的相關單元的主子塊疊加求 得，即：kii=E All。②.總剛中的副子塊ku，，當為相關結點時即聯(lián)結它們的單元的相應副 子塊kim二kjmi ,，否則為〇。
[0064] (3)根據(jù)已知約束條件求解結構剛度矩陣
[0065] 處于靜力平衡狀態(tài)的無約束結構可W產(chǎn)生任意的剛體位移。與單元剛度矩陣是奇 異矩陣的理由一樣，無約束結構的結構剛度矩陣也是奇異矩陣，即矩陣的行列式為零。
[0066] -般的工程結構如抗滑粧，都是幾何不變體系，即都有足夠的支承約束條件，排除 了發(fā)生任何剛體位移的可能性。為了引入支座約束條件，把公式S = [Si，. . .，Sm]T所表示的 結點的總位移量S分為兩部分。一部分是不受約束的位移分量，記為Sf(下標為打ee的字頭， 表示不受約束）；另一部分是受約束剛性支承約束的位移分量，記為Sr(下標為熱縮trained 的字頭，表示受有約束）。不失一般性，無妨認為第1號到第號位移分量是不受約束的，其余 Nr個位移分量是受有剛性支承約束的，即記(注意N+Nr = m)
[0067] 5f=[Si,82,...,Sn]t
[0068] 顯然，未知結點位移總數(shù)為N，把方程組的系數(shù)矩陣即結構剛度矩陣KW及總荷載 矢量P也相應地予W分割，就有
[0069]
[0070] 上式中Pf是已知的結點荷載，Pr是未知的支座反力。
[0071 ]按照矩陣乘法規(guī)則，上式即得：
[0072] Kf f 5f+Kf r5r = Pf ^PKrf 5f+Krr5r = Pr
[0073] 每個受剛性支承約束的位移分量都等于零，即Sn+i = Sn+2= . . . =Sm=0
[0074] 得:KffSf = Pf 和 KrfS 打=Pr
[0075] 可解出全部未知結點的位移：
[0076]
[0077] 農(nóng)出支座反力 [007引
[0079] 至此所有節(jié)點的位移S及荷載P均W求出，結構的位移及內(nèi)力也相應求得。W上諸 式中，表示矩陣Kff的逆矩陣。
[0080] 按照上述有限元計算原理，編制了運行于ANSYS8.1的程序進行計算，參見圖4，步 驟如下：
[0081 ]先啟動ANSYS8.1軟件，運行程序，
[0082] (1)輸入各參數(shù)，如:粧長、粧截面、推力大小及分布形式、粧周±。
[0083] (2)建立單元類型，即運用何種單元來模擬，抗滑粧采用beam3單元，每0.5m作為1 個單元。錯索采用LINK10單元，每1.0m作為1個單元。地基反力采用C0MBIN14彈黃單元模擬， 粧長方向每1.0m設置1個彈黃單元，彈黃單元長1.0m(也即相當于粧周受影響的巖±體范 圍）。
[0084] (3)輸入單元材料參數(shù)，主要輸入抗滑粧中=種單元的彈模、泊松比等材料參數(shù)， W戒臺寺滑坡為例，
[0085] 梁單元:彈模 Ex = 3e 10，泊松比 PRXY = 0.25，密度 Dens = 2500kg/m3;
[0086] 錯索鏈桿單元:彈模Ex = 1.90el 1，泊松比PRXY = 0.33;
[0087] 地基反力的彈黃單元:變形模量=2.55E10。
[0088] (4)建模:可直接建模的方法，建立節(jié)點，由節(jié)點生成單元;也可間接建模，用點、線 畫好抗滑粧模型，再網(wǎng)格化生成單元。
[0089] (5)定義UX、UY約束。因為是二維模型，UZ向（即抗滑粧側向）可忽略。滑坡推力的作 用方向及坡體變形主要是水平方向（UX)。約束的施加對計算結果影響很大，因此要充分考 慮分析實際抗滑粧所受的約束，W便使施加的約束與實際符合得更好。
[0090] (6)加載。將滑坡推力施加于滑面W上的抗滑粧單元上，注意滑坡推力的分布形 式。
[0091] (7)求解。前面6步完成后，由計算機進行有限元計算，計算結果在后處理文件中。
[0092] W上(4)、（5)、（6)、（7)等步驟由程序自動完成。
[0093] 在計算過程中，會出現(xiàn)非線性解。如果出現(xiàn)計算不收斂的情況，先檢查計算程序， 改善改進算法，確認無誤后，限定循環(huán)的次數(shù)及計算子步數(shù)，再進行計算。
[0094] W上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制，凡是依 據(jù)本發(fā)明的技術實質對W上實施例所作的任何簡單修改、等同變化，均落入本發(fā)明的保護 范圍。
【主權項】
1. 一種基于ANSYS的多錨點全埋式抗滑粧計算方法，其特征在于:包括下列步驟： (1) 建立樣板數(shù)據(jù)庫，輸入粧長、粧截面、推力大小及分布形式、粧周土； (2) 設定模擬單元； (3) 輸入多錨點全埋式抗滑粧中三種單元的材料參數(shù)，包括梁單元的彈模、泊松比和密 度，錨索鏈桿單元的彈模和泊松比，地基反力的彈簧單元的變形模量； (4) 建立模型； (5) 定義1^、仍約束； (6) 加載，將滑坡推力施加于滑面以上的抗滑粧單元上； (7) 求解計算，進行有限元計算，導出計算結果。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于ANSYS的多錨點全埋式抗滑粧計算方法，其特征在 于:在步驟(4)中，可采用直接建模或間接建模，直接建模通過建立節(jié)點，由節(jié)點生成單元； 間接建模為用點、線畫好抗滑粧單元，再網(wǎng)格化生成單元。3. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于ANSYS的多錨點全埋式抗滑粧計算方法，其特征在 于:在步驟(7)中，由計算機進行有限元計算，若出現(xiàn)計算結果不收斂的情況，貝lj需限定循環(huán) 的次數(shù)及計算子步數(shù)，再重新進行計算。
【文檔編號】G06F17/50GK106049510SQ201610370300
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月27日
【發(fā)明人】鄧安, 彭濤
【申請人】中冶成都勘察研究總院有限公司