不同地基模型上筏形基础的有限元分析大学论文.docx
- 文档编号:7730559
- 上传时间:2023-01-26
- 格式:DOCX
- 页数:28
- 大小:500.07KB
不同地基模型上筏形基础的有限元分析大学论文.docx
《不同地基模型上筏形基础的有限元分析大学论文.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《不同地基模型上筏形基础的有限元分析大学论文.docx(28页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
不同地基模型上筏形基础的有限元分析大学论文
郑州大学本科毕业论文
题目:
不同地基模型上筏形基础的有限元分析
指导教师:
职称:
副教授
学生姓名:
学号:
20080420316
专业:
土木工程
院(系):
土木工程学院
完成时间:
2012年5月30日
摘要
筏板基础是一种常用的基础形式,不同的地基模型对筏板的应力、应变、位移都有很大的影响。
根据实际情况,选择合适的地基模型,有助于使筏板和地基土的计算更符合实际情况,使实际工程更好的兼顾安全性与经济性。
本文采用ABAQUS有限元软件,对筏板基础进行了有限元分析,主要研究了以下内容:
筏板在弹性半空间地基模型中考虑土的弹塑性时,其沉降情况;将土体简化成Winkle地基模型时,分析比较了基础沉降变形的差异性,并基于Winkle地基模型,讨论基础沉降及受力随筏板刚度变化的规律;最后,为分析土体的蠕变特性,研究了筏板在粘弹性地基模型上的沉降变形。
结果表明:
筏板的变形是由整体变形和局部变形叠加的结果,整体变形决定了基础的沉降,局部变形决定了应力的分布;Winkle地基模型将土体做了很大的简化,其参数很少,所以使用该模型时要慎重考虑条件;仅考虑基础与土体相互作用时,基础内力随其刚度增大而增大,相对挠曲随之减小,但上部结构刚度对基础沉降的影响作用是有限度的;对于蠕变特性明显的地基,设计时应重视筏板加载完成并稳定之后的沉降和差异沉降。
关键词:
筏板基础、有限元法、地基模型、沉降受力分析
Abstract
Raftfoundationisoneofthemostwidelyusedbaseformsnowadays,anddifferentsubsoilmodelsadoptedinthedesignmayhavegreatimpactonthecalculatingresultsofstress,strain,displacement,etc,oftheraftfoundation.Soitisofgreatsignificancetochoosethesuitablesubsoilmodelaccordingtotheactualconditions,whichcanhelptomakethecalculationsoftheraftfoundationandsubsoilmorerealistic,reachingabetterbalancebetweensafetyandeconomyoftheactualproject.
ThefiniteelementsoftwareABAQUSisusedtoanalysistheraftfoundation.Thetopicsdiscussedinthispaperareasfollows:
thesettlementoftheraftfoundationiscalculatedintheelastichalf-spacesubsoilmodeltakingelastoplasticityintoconsideration;whenthesoilmassissimplifiedintoWinklesubsoilmodel,thedifferencesbetweenthesettlementofthesamefoundationintwokindofthegroundsillisstudied,andthechangingruleofthefoundation’ssubsidencewhichhasrelationshipswiththechangesofraftfoundation’sstiffnessisstudiedbasedonWinklemodeltoo.Atlast,inordertoanalysisthecharacterofcreepinsoil,thedeformationandsettlementofraftfoundationinviscoelasticsubsoilmodelisstudied.
Thecalculatingresultsshowthat:
thedeformationoftheraftfoundationiscomposedofglobalandlocaldistortion,andglobaldistortiondeterminesthefoundationsettlementwhilethelocalonedeterminesthedistributionsofthestress;Winklegroundsillmodelsimplifiesthesoilgreatlywithquitefewparameters,sowhenusingthismodel,theactualconditionsshouldbetakenintoaccountcarefully.Whenonlyconsideringtheinteractionofsoilandraftfoundation,theinternalforceofthebaseincreaseswiththefoundation’sstiffness,yet,thedeflectionreduces,howevertheimpactonthedeflectionhasanupperbound.Forsomesoilstratawithhighrheology,thesettlementanddifferentialsettlementoccurringaftertheconstructioniswrappedupshouldbetakenintoconsiderationinfoundationdesign.
Keywords:
raftfoundation,finiteelementmethod,subsoilmodel,settlementanalysis
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1概述1
1.2问题的提出和研究的意义1
1.3国内外筏基有限元研究现状2
1.4本文研究的方法和思路3
第2章弹塑性半空间地基上筏基的有限元分析4
2.1有限元法及ABAQUS简介4
2.2数值算例及其弹性半空间模型建立5
2.3计算结果及分析7
2.4本章小结9
第3章基于文克尔地基模型的筏基有限元分析10
3.1地基模型及基床抗力系数k值的选取10
3.2筏基计算结果比较分析11
3.3筏基刚度对体系的影响分析13
3.4本章小结16
第4章粘弹性地基上筏基的有限元分析17
4.1粘弹性地基模型及其参数的选用17
4.2计算结果及其分析19
4.3本章小结22
第5章结语23
5.1结论23
5.2展望23
参考文献24
致谢26
第1章绪论
1.1概述
高层建筑在城市的发展中有着重要的作用,高层建筑能够有效的利用土地,由于我国人口密度大,人均占地面积少,高层建筑的发展具有重要的意义。
随着高层建筑的发展,基础结构对整个建筑物的安全和寿命显示出了举足轻重的影响,其工期和造价占建筑物土建总工期和总造价很大比例。
在初始设计阶段,高层建筑的基础形式主要是箱型基础和桩基,但经过多年的工程实践,发现箱型基础和桩基不是在任何情况下都是理想的基础形式,比如尽管箱型基础具有刚度大承载力高的优点,但其施工复杂速度慢,并且钢筋和混凝土的用量大,而桩基也不是万能的良药,许多城市地下桩密布,给城市地下空间的应用带来了很大的麻烦,作为古老形式的筏形基础具有的优点便很自然的显示出来并使其得以广泛应用。
筏形基础具有能够提供较大的空间,便于施工、工期短等优点,还能降低施工难度,减少施工工期,具有良好的经济性能。
在结构上,筏形基础具有整体性好,能有效调整地基不均匀沉降等优点。
在软弱地基和不均匀地基上具有很好的优势,有时在均匀地基上对沉降要求敏感的建筑物也采用筏形基础。
高层基础采用筏形基础更有优越性。
高层建筑对基础作用荷载较大,采用筏形基础能够有效的满足地基土的承载力和变形要求,而且筏板的连续性和双向抗弯性还能加强建筑物的整体刚度,改善建筑物的抗震性能。
1.2问题的提出和研究的意义
筏形基础的应用非常广泛,在筏形基础的设计过程中,合理的选用地基模型是基础计算的一个重要问题,地基模型不同,计算结果也是不同的,实际工程设计中如何选择相适应的地基模型是一个比较困难的问题,涉及到材料特性,荷载施加,整体几何关系和环境影响这四个相互影响的方面,甚至对同一个工程,从不同角度分析,可能采用不同的地基模型。
因此,从工程应用出发,只能提出应予考虑的诸多因素来综合评判。
这些因素主要有:
土体变形,屈服特征和外荷载在地基中引起的应力水平,基础及上部结构的刚度,基础埋置深度,土层的分布情况,荷载的种类和施加方式,时效的考虑,施工过程等。
地基的力学性质对相互作用的性质有很重要的影响,因此有必要进一步研究基础与地基之间的相互作用,这对于合理解决筏板基础的设计有着重要的现实意义。
在同一基础同一土层的条件下,采用不同的地基模型,计算出的结果不尽相同,实际工程的地基模型虽然不能完全符合某一理想的地基模型,但总是接近其中的一种。
因此合理的选择地基模型对于基础和上部结构的设计都有着重要的意义。
本文采用ABAQUS有限元软件对一种极为常用的筏形基础形式在不同地基模型上的沉降及受力进行了分析,主要研究了筏板在弹塑性地基、winkle地基、粘弹性地基模型中的基础沉降、基底反力、基础内力分布状况的规律,并分析了筏板刚度对其变形及受力的影响,最后得出相应的结论,为实际工程提供一定的参考价值。
1.3国内外筏基有限元研究现状
国内外很多学者对筏板在地基土上的计算方法进行了研究,并提出了比较好的改进措施:
Wang&Chow把罚函数引入Ritz法分析弹性半空间上的Mindlin矩形板[1–2],一般仅限于计算竖向荷载作用下的简单问题。
EI-Zafrany等[3]把Kirchhoff板的边界积分公式推广到Reissner板,进而验证了厚板边界元法的计算结果具有较高的计算精度。
为了解决地基基础相互作用问题,Rashed建立Winkler弹性地基上Reissner板的3组基本解及边界元方程[4]。
闫富有等[5]基于有限压缩层地基模型和Reissner板的边界积分方程,考虑柱荷载作用区域的形状和筏板的横向剪切变形效应,建立了有限压缩层地基上厚筏基础与地基相互作用分析的边界元方程和系统的数值方法。
Viladkar应用黏弹性有限元法分析了黏弹性地基上独立基础的次固结沉降行为,并基于Skempton孔隙水压力理论计算了一维竖向固结沉降,表明土体的黏弹性变形与固结沉降同样不可忽略[6]。
Bahar等基于Kelvin-Voigt模型,建立了流变分析的有限元数值格式,并预测了核电站基础的长期沉降变形[7]。
Justo等通过现场试验测定了土的流变参数,针对Boltzmann流变模型讨论了坝基的蠕变沉降行为[8]。
闫富有等[9]采用Boltzmann剪切松弛模型和体积弹性模型组合的黏弹性半空间地基模型,考虑筏板的横向剪切变形效应和柱荷载随时间的变化,在时间增量段对基底反力进行Newton二次插值,建立了时间域内黏弹性地基与厚筏基础相互作用分析的耦合边界元数值方法,并导出了相应的数值计算公式,为分析施工过程以及施工结束后筏板基础随时间持续发展的沉降和差异沉降以及弯矩和剪力提供了一种有效的数值计算方法。
考虑土体流变特性的地基与筏型基础相互作用分析,主要用于基础的动力分析[10],多基于Winkler地基模式的黏弹性地基模型[11]。
筏板在不同地基模型上受力分析研究虽然已经取得了一定的成果,但由于问题的复杂多变性,其理论研究与工程实践尚处于不完善阶段。
选择不同的地基模型对计算结果有着很大的影响,高层建筑的筏板基础可简化为Winkler弹性地基、弹性半空间地基和有限压缩层地基、粘弹性地基等模型上承受柱或剪力墙荷载(包括竖向力和弯矩)的中厚度板。
常用的分析方法是用有限元法建立筏板的刚度矩阵,用边界元或其他方法建立土体的柔度矩阵,然后迭代求解[12–14]。
当地基变形受邻近荷载的影响非常明显,应力扩散现象不容忽视时,宜采用弹性半空间地基模型。
对于抗剪强度较低的软弱地基,或地基压缩层较薄,其厚度不超过基础底面短边宽度的一半、荷载基本上不向外扩散的情况,可以认为比较符合文克尔地基模型[15];一些膨胀土、黄土、饱和砂土以及黏性土在荷载长期作用下具有明显的流变特性,其本构关系可用黏弹性模型比较好地拟合[16-17],在该类地基上的基础则随土体的流变表现为长时间的持续沉降。
基础的这种沉降称为蠕变沉降,应采用土的流变模型进行分析[18]。
1.4本文研究的方法和思路
本文首先通过ABAQUS有限元模拟筏板在弹塑性地基模型上的沉降变形,再通过《建筑地基基础规范》法以筏板中心点为例,计算出其沉降值,以该沉降值和筏板在弹塑性地基模型上计算得到的结果反推出相同地基土层情况下文克尔地基模型中的基床抗力系数K值,研究筏板在Winkle地基模型上的沉降变形情况,分析两种不同的地基模型对筏板沉降结果的影响,并在Winkle地基模型的基础上,研究了筏板刚度的改变对筏板沉降及内力分布的影响。
最后研究了筏板在粘弹性地基模型上的沉降变形来分析土体的蠕变特性。
将上述研究结果总结并得出相应的结论,为实际工程提供一定的理论依据。
第2章弹塑性半空间地基上筏基的有限元分析
2.1有限元法及ABAQUS简介
有限元法是在当今工程分析中获得最广泛应用的数值计算方法。
由于它的通用性和有效性,受到工程技术界的高度重视。
有限元法在工程和物理问题的数学模型(基本变量、基本方程、求解域和边界条件等)确定以后,将一个表示结构或连续体的求解域离散为若干个子域(单元),并通过它们边界上的节点相互连接成组合体,用每个单元内所假设的近似函数来分片的表示全求解域内待求解的未知场变量。
而每个单元的近似函数由未知场函数在单元各个节点上的数值和与其对应的插值函数来表达。
由于在联接相邻单元的节点上,场函数应具有相同的数值,因而将它们用作数值求解的基本未知量。
这样一来,求解原来待求场函数的无穷多自由度问题转换为求解场函数节点值得有限自由度问题。
通过和原问题数学模型(基本方程,边界条件)等效的变分原理或加权余量法,建立求解基本未知量(场函数的节点值)的代数方程组成常微分方程组。
此方程称为有限求解方程,并表示成规范化的矩阵形式。
接着用数值方法求解此方程,从而得到问题的解[19]。
有限元方法的广泛应用使其理论得到相当的完善,同时一批使用有效的通用和专用的有限元软件也应运而生,有限元软件已经成为推动社会进步和发展的生产力,并且取得了巨大的经济和社会效益。
在众多的有限元软件中,ABAQUS是比较有效的有限软件之一。
ABAQUS是世界知名的有限元分析软件公司ABAQUS公司于1978年推出的。
ABAQUS不仅能进行有效的静态和准静态分析、瞬态分析、模态分析、弹塑性分析、接触分析、碰撞和冲击分析、爆炸分析、屈服分析、断裂分析,疲劳和耐久性分析等结构的热分析,而且还可以进行流-固耦合分析、声场和声-固耦合分析、压电和热-电耦合分析、热固耦合分析、质量扩散分析等。
ABAQUS在很多国家得到广泛应用,用户涉及机械、土木、水利、航空航天、船舶、电器、汽车等各个工程领域。
近年来,我国的ABAQUS用户也迅速增长,使得ABAQUS在大量的高科技产品的研发过程中发挥了巨大的作用。
本文采用ABAQUS软件进行有限元分析。
2.2数值算例及其弹性半空间模型建立
柱编号
尺寸/m
荷载/kN
C1
C2
0.5×0.5
0.5×0.5
1200
1800
C3
0.5×0.5
2400
C4
0.5×0.5
3600
表1柱的几何参数与荷载
本模型采用筏形基础,其平面尺寸如图1所示[20],板厚0.45m,混凝土强度等级为C25,柱的几何尺寸和荷载大小分别见表1和图1。
柱荷载按照集中荷载考虑。
本模型基础埋置深度为0.45m,未考虑基础与上部结构的共同作用,筏板配筋对于结构刚度的增大通过增大混凝土弹性模量的方法来考虑,筏板的弹性模量和泊松比分别为E=2×104MPa,ν=0.15,其重度按照γ=2500N/m3来计算。
在计算中假定筏板各相均质,忽略横向剪切变形。
图1筏板的几何尺寸/mm
关于土体边界条件的考虑,必须选取适当尺寸的有限体域代表土体空间,体域的尺度a,b,H的数值按荷载作用范围选取,以使边界上的位移和反力对计算结果的影响可以忽略,根据弹性力学的原理及地基基础规范法,在平面上,取地基土体从筏板边缘向外延伸1倍的筏板宽度,即取a×b=54m×42m,在厚度上,取压缩层厚度H=28m,地基土由不同土层组成,各层参数及其物理性见表2。
土层
厚度/m
重度
γ/(N/m3)
粘聚力
C/kPa
摩擦角
φ/(°)
压缩模量ES/MPa
泊松比ν
粉土
2.0
1800
10
23
6.0
0.2
粉质粘土
1.0
1800
30
18
5.0
0.3
粉土夹粉砂
6.0
1500
18
20
15.0
0.3
粉土
8.0
1800
20
16
16.0
0.29
粉质粘土
11.0
1900
33
15
17.0
0.3
表2土层参数及其物理性质
本算例考虑对称型,以结构与地基的1/4作为计算模型,以大型通用非线性有限元软件ABAQUS为平台进行了弹塑性有限元分析。
对于地基土和筏基均采用8节点实体缩减积分单元C3D8R,在模型的两侧面采用水平方向固定、竖直方向自由的边界条件,在底面采用竖向、两个水平方向固定的边界条件,在其横、纵对称轴处分别采用相应的对称约束边界条件。
一般情况下土的弹性模量为压缩模量的2-4倍,本模型按照两倍的关系来计算,土体的本构关系采用摩尔-库伦模型。
筏板侧面与土体的接触采用面面接触,由于筏板的刚度远大于土体,所以选择筏板接触面为主面,采用罚函数定义摩擦系数为0.2,筏板与土体接触压力和间隙的关系定义为“硬接触”,即接触面间能够传递的接触压力的大小不受限制。
为了节省计算时间,在我们所需要研究的部分将网格划分的密集,在其他部分网格划分的相对稀疏,其网格划分图如图2所示。
在模型计算过程中,首先要进行地应力平衡,即保留土体的初始应力场,位移置零,取土体的侧压力系数为0.538,根据表2所给的土体参数,在模型的keyword中输入:
*initialconditions,type=stress,geostatic
Raft-foundation-1.set-raft,0,28,-8100,27.55,0.538,0.538
Soil-1.set-soil-1,0,28,-36000,26,0.538,0.538
Soil-1.set-soil-2,-36000,26,-54000,25,0.538,0.538
Soil-1.set-soil-3,-54000,25,-144000,19,0.538,0.538
Soil-1.set-soil-4,144000,19,-288000,11,0.538,0.538
Soil-1.set-soil-5,-288000,11,-497000,0,0,538,0.538
命令提示符来完成该步的计算,得到的地应力平衡结果如图3所示。
图3地应力平衡Mises应力云图
图2有限元计算模型图
2.3计算结果及分析
地基土在基础荷载作用下产生压缩变形,使基础产生沉降。
图4为整个模型的沉降位移云图,由图可以看出:
在水平表面上,地基土相对于筏基越近,其沉降值越大,当超过一定范围之后,地基土几乎不再受到影响,即其竖直沉降值为零,这是由于地基土中的剪应力的存在,使的地基附加应力向周边扩散,引起周边土的沉降。
在筏板纵轴线的竖直方向上,土体的沉降接近下凹的盆式沉降,土体越深,其所受的影响越小,沉降值对应的也越小,这是由于H越大,土体的附加应力越小,土体的变形也就越小。
将筏板纵轴线方向上的沉降值提取出来,绘成曲线图如图5所示,筏板的沉降曲线成不规则波浪形,在集中荷载作用下,筏基上柱所在位置处的沉降值要明显的大于其他位置处的,这是由于筏板的刚度相对于土体来说不是特别大,筏板的变形可以看成是整体变形和局部变形的叠加结果,整体变形是呈中间大,四周小的蝶形分布,而局部变形是跨中上拱,筏板中心位置处的沉降值最大为131.9mm,最小沉降值为49.59mm,差异沉降值为82.31mm。
图4筏基及地基土的沉降云图图5筏基纵轴线方向沉降曲线
基底反力是分析基础内力的依据,也是验算地基强度和变形的依据。
从图6可以看出,基底反力在柱的集中荷载作用下,会明显的增大,即在曲线上表现为向上凸起状,筏板中心处的地基反力值最大,而在板的跨中,由于局部弯曲板的反拱,是地基反力最小的地方。
其反力分布情况与筏板所受集中荷载的分布相同。
筏板基础由于具有一定的结构刚度,在和地基变形协调的过程中基底反力成不均匀分布,这对筏板的内力分布也造成了一定的影响。
图7为筏板沿纵轴长度方向的弯矩变化。
本文筏板上表面受拉为正弯矩,下表面受拉为负弯矩,和工程意义上的正负弯矩符号相反。
从图7可以看出,在柱集中荷载作用处,筏板的下表面均受拉,筏板中心点处受到的负弯矩值最大,和点该的沉降值最大是相对应的,这是由于筏板受到整体弯曲作用所致,但筏板同时受到局部弯曲使筏板中部的弯矩值减小,并且在跨中上拱的地方弯矩值成正值。
因此在设计过程中,要着重考虑筏板中心点的安全要求,该点处的沉降及弯矩值均最大,可以采取一定的措施将该点处的弯矩值分配一部分到筏板的其他位置处,以减小中心点处的内力值。
图7筏板纵轴方向上的弯矩值
图6筏板纵轴方向上地基反力值
2.4本章小结
由本章节的分析可得,考虑土的弹塑性时,筏板在地基土上受力,会带动周边土体的一起沉降,筏板的变形是由整体变行和局部变形叠加的效果,整体变形决定筏板的沉降情况,局部变形决定筏板的应力分布。
筏板在柱集中荷载作用下,弯矩值成不规则的波浪形,中心点处的沉降值及弯矩值均最大,所以设计时要予与重视。
第3章基于文克尔地基模型的筏基有限元分析
3.1地基模型及基床抗力系数k值的选取
文克尔地基模型假定地基上任一点所受的压力强度p与改点的地基沉降量s成正比,即p=ks,其模型是把地基视为在刚性基座上由一系列侧面无摩擦的土柱组成,并可以用一系列独立的弹簧来模拟。
本筏基模型仍然采用上述弹性半空间元的筏板模型,所受荷载的大小和位置均未发生变化。
弹簧与筏板的相对位置如图8所示,选择弹簧的连接方式为“点地连接”,筏板的网格
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 不同地基模型上筏形基础的有限元分析 大学论文 不同 地基 模型 上筏形 基础 有限元分析 大学 论文
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)