15－基础稳定.pdf

基础例题15 桥墩基础的稳定分析 GTS 基础例题 15. - 桥墩基础的稳定分析 运行GTS 1 概 要 2 运行GTS 1 概 要 2 地基反力系数 / 4 生成分析用数据 5 生成分析用数据 5 属性 / 5 建 立 几 何 模型 9 建 立 几 何 模型 9 工作平面 / 9 矩形 / 10 生成二维网格 11 生成二维网格 11 映射k-线面网格 / 11 分析 13 分析 13 边界条件 / 13 荷载 / 16 分析工况 / 18 分析 / 20 查 看 分 析 结 果 2 1 查 看 分 析 结 果 2 1 位移 / 22 提取结果 / 23 板内力 / 27 板应力 / 28 GTS基础例题15 1 桥墩基础的稳定分析 桥墩基础的稳定分析 对于直接设置于砂土地基条件上的基础沉降量的计算方法，使用比较普遍的是美 国海军的标准DM-7公式以及经验公式Terzaghi-Peck公式。其中DM-7公式必须通过加 载试验掌握到达屈服荷载之后的沉降效应之后才可以应用。而将Terzaghi-Peck公式 适用于中性土时，所计算的沉降量有过大的趋势，从而导致对地基的要求更高或者基 础的埋深更深。 如果对比砂土更好的地基进行平板加载试验，所得到的初期的荷载-沉降曲线会 比直线向上弯。对这种类型地基上的基础稳定性，目前还没有合适的公式可以适用。 不过如果荷载-沉降曲线是线性关系时，是可以通过数值分析的方法得到比较好的结 果的。 这道例题根据桥墩处地基的平板加载试验结果，确定了基础底面的弹簧系数，并 采用上部结构的最大荷载，通过数值分析，求出基础的最大沉降量，与桥梁支座处的 容许沉降量进行了比较。 运行GTS 首先打开程序进行一些基本操作。 1. 运行GTSGTS ； 2. 点击 文件 新项目 文件 新项目 ； 3. 程序会显示项目设定 项目设定 对话框 ； 4. 在项目名称项目名称中输入 ‘基础例题15’ ‘基础例题15’ ； 5. 点击单位系统单位系统右侧的 ； 6. 对力质量 力质量 单位选择‘kN ton’ ‘kN ton’ ； 7. 点击 ； 8. 其它值直接使用缺省值即可； 9. 点击 。 桥墩基础的稳定分析 2 概 要 为了评价基础的稳定性，使用直径30cm的平板进行了加载试验。其结果荷载-沉 降曲线几乎为一直线，无法判断屈服荷载或极限荷载。这是由于加载的荷载大小不足 所造成的。不过即使使用小一些的加载板得出屈服荷载或极限荷载，但中性土（无岩 片的风化岩）的规模效应也是个不确定因素。 总之，通过加载试验得出的反力来分析基础的稳定其实是有难度的。因此本例题 利用加载试验的结果，通过进行数值分析来计算沉降量。 首先对于基础底板建立二维的网格，边界条件采用地基反力系数确定，荷载采用 上部结构传下来的竖向力和弯矩。 12345678 2.5m L12m B12m Vo3,021.1tonf29,637kN Mo1,179.5tf-m11,570.9kN-m 1.5m GTS基础例题 15 - 1 GTS基础例题 15 - 1 GTS基础例题15 3 基础板采用二维的板单元，地基弹簧采用点弹簧来模拟。 GTS 基础例题 15 - 2 GTS 基础例题 15 - 2 基础板的特性如下。 属性 ID 属性 ID 桥墩基础 1 类型 类型 平面 单元类型 单元类型 板 材料 ID 材料 ID Mat 桥墩基础1 特性 ID 特性 ID Prop 桥墩基础1 GTS 基础例题 15 – 表 1 GTS 基础例题 15 – 表 1 桥墩基础的稳定分析 4 桥墩基础的材料特性结构如下。 材料 ID 材料 ID Mat 桥墩基础 1 弹性模量 E弹性模量 E [kN/m [kN/m 2 2] ] 21,700,000 泊松比 ν 泊松比 ν 0.3 密度 γ密度 γ [kN/m [kN/m 3 3] ] 24.5 GTS 基础例题 15 – 表 2 GTS 基础例题 15 – 表 2 桥墩基础的截面特性如下。 特性 ID 特性 ID Prop 桥墩基础 1 类型 类型 板 厚度 厚度 [m][m] 2.5 GTS 基础例题 15 – 表 3 GTS 基础例题 15 – 表 3 地基反力系数 基础底面的弹簧系数采用平板加载试验得到的地基反力系数。平板加载试验的加 载板标准直径为75cm，由于本例题中的地基反力系数k30 20.9kgf/cm 3是按30cm加载 板做试验得到的，因此需要将k30换算成k75。过程如下 20.933 30 9.5/93,195/ 75 2.22.2 k kkgfcmkNm GTS基础例题15 5 生成分析数据 属性 定义属性。属性包括材料特性和截面特性（对于板单元为厚度），建立单元需要 选择相应属性。这里对桥墩基础采用板单元来模拟。 1. 在主菜单中选择 模型 特性 属性 模型 特性 属性 ； 2. 在属性对话框点击 右侧的 ； 3. 选择 ‘平面’ ‘平面’ ； 4. 确认添加/修改平面属性 添加/修改平面属性 对话框中的号号 为 ‘1’‘1’ ； 5. 在名称 名称 中输入 ‘桥墩基础’‘桥墩基础’ ； 6. 确认单元类型 单元类型 中为 ‘板’‘板’ ； 7. 点击材料材料 右侧的来定义材料。 GTS 基础例题 15 - 3 GTS 基础例题 15 - 3 桥墩基础的稳定分析 6 8. 确认添加/修改结构材料添加/修改结构材料 对话框的号号 为 ‘1’ ‘1’ ； 9. 名称名称 中输入 ‘Mat 桥墩基础’ ‘Mat 桥墩基础’ ； 10. 弹性模量 E弹性模量 E 输入 ‘2.17e7’ ‘2.17e7’ ； 11. 泊松比 泊松比 νν 输入 ‘0.3’ ‘0.3’ ； 12. 重量密度 重量密度 γγ 输入 ’24.5’ ’24.5’ ； 13. 点击 。 GTS 基础例题 15 - 4 GTS 基础例题 15 - 4 14. 点击特性特性 右侧的来定义特性 ; 15. 确认添加/修改特性添加/修改特性 对话框的号号 为 ‘1’ ‘1’ ； 16. 名称名称 输入 ‘Prop 桥墩基础’‘Prop 桥墩基础’ ； 17. 类型 类型 确认指定为 ‘厚度’ ‘厚度’ ； 18. 厚度t厚度t 输入 ‘2.5’‘2.5’ ； 19. 点击。 GTS基础例题15 7 GTS 基础例题 15 - 5 GTS 基础例题 15 - 5 20. 确认添加/修改平面属性 添加/修改平面属性 对话框中的材料材料 被指定为 ‘Mat 桥墩基础’ ‘Mat 桥墩基础’ ； 21. 确认特性 特性 为 ‘Prop 桥墩基础’ ‘Prop 桥墩基础’ ； 22. 点击 ； 23. 点击属性对话框的。 GTS 基础例题 15 - 6 GTS 基础例题 15 - 6 桥墩基础的属性定义完了。 桥墩基础的属性定义完了。 桥墩基础的稳定分析 8 GTS基本例题 15 - 7 GTS基本例题 15 - 7 GTS基础例题15 9 建立几何模型 工作平面 根据要操作的平面设定工作平面，并设置栅格。栅格始终处于工作平面的XY平面 上，使用时可先设置捕捉栅格，然后使用鼠标点击栅格即可方便地建模，同时 可以大致地判断模型的比例和单元的大小。用户也可根据模型和需要任意设置栅格的 大小 。 1. 在工作树双击 工作平面 XY 0, 0, 1工作平面 XY 0, 0, 1，即可转换工作平面 ； 2. 在视图工具条点击 WP法向WP法向 ； 3. 在主菜单选择 几何 工作平面 栅格设置几何 工作平面 栅格设置 ； 4. 栅格类型栅格类型 选择 ‘四边形栅格’ ‘四边形栅格’ ； 5. 确认显示方式 显示方式 处于 ‘线栅格’‘线栅格’ ； 6. 选择 均匀栅格 均匀栅格，尺寸输入‘1.5’‘1.5’ ； 7. 数量数量 输入‘20’ ‘20’ ； 8. 确认位置 位置 为 ‘全部’‘全部’ 9. 点击预览确认设置的栅格是否正确 ； 10. 点击 ; 11. 点击视图工具条的 缩放 缩放 后，拖动鼠标使操作平面大小合适。 桥墩基础的稳定分析 10 矩形 使用二维矩形线组在工作平面上建立桥墩基础的底板形状。 1. 在主菜单选择几何 曲线 在工作平面上建立 二维矩形线组几何 曲线 在工作平面上建立 二维矩形线组 2. 确认出现的对话框中建立矩形的方法为； 3. 确认左上角信息为输入一个角点输入一个角点； 4. 确认坐标输入方式为 ‘坐标 x, y’‘坐标 x, y’； 5. 确认生成面 生成面 选项没有被钩选； 6. 在位置位置 输入‘0, 0’‘0, 0’后键盘回车； 7. 重新确认“矩形”对话框左上角信息变为 输入对角点输入对角点； 8. 确认坐标输入方式为 ‘相对坐标 dx, dy’‘相对坐标 dx, dy’； 9. 在位置位置 输入‘12, 12’‘12, 12’ 后键盘回车； 10. 点击； 11. 在视图工具条点击缩放全部缩放全部。 GTS基础例题 15 - 8 GTS基础例题 15 - 8 输入矩形对角线的一个 点坐标 输入矩形对角线的一个 点坐标[坐标坐标x,y]和另 一个点的坐标 和另 一个点的坐标 [坐标坐标x, y, 相对坐标相对坐标dx, dy] 来建立矩形来建立矩形。 。 GTS基础例题15 11 生成二维网格 映射k-线面网格 对由边界线所围成的区域生成二维的映射网格。 1. 在主菜单选择网格 映射网格 k-线面网格 映射网格 k-线面 2. 在选择工具条点击显示 显示 选择画面上所有线Edge； 3. 在网格尺寸 网格尺寸 的单元尺寸单元尺寸输入‘1.5’‘1.5’； 4. 确认属性号属性号为 ‘1’‘1’； 5. 在网格组网格组 输入 ‘桥墩基础板’‘桥墩基础板’； 6. 点击预览，查看是否正常生成了网格； 7. 点击。 GTS基础例题 15 - 9 GTS基础例题 15 - 9 需要选择所有前一阶段 生成线（ 需要选择所有前一阶段 生成线（Edge）。 Edge）。 桥墩基础的稳定分析 12 GTS基础例题 15 - 10 GTS基础例题 15 - 10 生成网格 GTS基础例题15 13 分析 边界条件 选 择 节 点 并 定 义 边 界 条 件 。 在这里选择边缘上的节点并适用滚动支座Roller Type。 1. 在模型窗口点击鼠标右键调出关联菜单； 2. 选择打开GCS三角标打开GCS三角标使其显示整体坐标系； 3. 在主菜单选择 模型 边界 支承模型 边界 支承 4. 边界组 边界组 输入 ‘约束条件’ ‘约束条件’； 5. 确认对象对象中的类型 类型 为 ‘节点’‘节点’； 6. 对于，使用窗口选择的方法选择下图GTS基 本例题15 - 11A A位置的左右两端的18个节点； 7. 确认模式模式为 ‘添加’‘添加’； 8. DOFDOF钩选‘UX’‘UX’； 9. 点击； 10. 在状态，使用相同方法选择下图B B位置上下两 端的18个节点； 11. DOFDOF中钩掉‘UX’‘UX’钩选‘UY’ ‘UY’； 12. 点击； 不必预先定义边界组 。在这里输入新边界 组名称即可将定义的 边界条件与该边界组 连接。 不必预先定义边界组 。在这里输入新边界 组名称即可将定义的 边界条件与该边界组 连接。 边界条件以整体坐标 系为准输入，因此显 示整体坐标系以便直 观地确认需要约束的 自由度。 边界条件以整体坐标 系为准输入，因此显 示整体坐标系以便直 观地确认需要约束的 自由度。 桥墩基础的稳定分析 14 GTS基础立体 15 - 11 GTS基础立体 15 - 11 分析基础或地下结构时，为了考虑地基的弹性支承，需要定义相应节点的弹簧刚 度。这里可以通过定义面弹簧的基床系数，选择相应单元并适用。这样程序可以自动 考虑单元的面积，计算并赋予各节点相应的点弹簧刚度。 13. 在主菜单选择 模型 单元 建立曲面弹簧模型 单元 建立曲面弹簧 14. 点击 边界组边界组右侧的 来定义边界组； 15. 名称 名称 输入 ‘面弹簧’ ‘面弹簧’ 后点击 ； 16. 点击； 17. 对象对象的类型 类型 指定为 ‘平面’ ‘平面’； 18. 的状态点击已显示 已显示 来选择所有64各单元； 19. 边界类型边界类型选择转换为 ‘点弹簧’ ‘点弹簧’； 20. 基床系数基床系数的Kz 中输入 ‘93,195’ ‘93,195’； 21. 网格组 网格组 指定为添加添加到 ‘桥墩基础板’ ‘桥墩基础板’； 22. 最大属性数量最大属性数量 输入为 ‘100’ ‘100’； 23. 点击 。 A A B B 基床系数可取自平板 加载实验的结果。 指定要计算的弹簧系 数的个数。节点间不 同的间距将得到不同 的弹簧系数。如果这 里输入‘1’则即使间 距不同也都只计算一 个弹簧系数来使用。 默认值为100。 基床系数可取自平板 加载实验的结果。 指定要计算的弹簧系 数的个数。节点间不 同的间距将得到不同 的弹簧系数。如果这 里输入‘1’则即使间 距不同也都只计算一 个弹簧系数来使用。 默认值为100。 GTS基础例题15 15 GTS基础例题 15 - 12 GTS基础例题 15 - 12 桥墩基础的稳定分析 16 荷载 下面定义荷载。这个模型中考虑基础板自身重量以及和上部结构传递的重量和弯矩。 首先输入上部结构的荷载。 1. 视图工具条中点击 等轴测视图等轴测视图 ； 2. 在工作树中选择网格 网格组 ‘桥墩基础板’网格 网格组 ‘桥墩基础板’后点击鼠标右键调出关联菜 单； 3. 显示模式选择线框架线框架； 4. 主菜单中选择 模型 荷载 节点集中力模型 荷载 节点集中力 5. 在荷载组 荷载组 中输入 ‘上部荷载’‘上部荷载’； 6. 对象对象的类型 类型 确认处于 ‘节点’‘节点’； 7. 状态下，参考图“GTS基础例题15–13”使用 窗口选择功能选择模型中央的一个节点； 8. 确认模式 模式 处于 ‘添加’‘添加’； 9. 选择下方的任意方向荷载任意方向荷载； 10. 点击； 11. 确认选择工具条中的过滤选择过滤选择中为‘基准轴A’‘基准轴A’； 12. 状态下指定工作树中的 基准 ‘Z-Axis’基准 ‘Z-Axis’； 13. F F 输入 ‘-29,637’‘-29,637’； 14. 点击预览，确认集中荷载是否正常加载； 15. 点击。 GTS基础例题 15 - 13 GTS基础例题 15 - 13 在这里直接输入荷载 组的名称即可自动生 成荷载组，不需另行 定义。 在这里直接输入荷载 组的名称即可自动生 成荷载组，不需另行 定义。 GTS基础例题15 17 下面输入上部结构传下来的弯矩。 16. 主菜单上选择 模型 荷载 节点弯矩模型 荷载 节点弯矩 17. 荷载组荷载组 中输入 ‘弯矩’‘弯矩’； 18. 对象对象的类型 类型 确认处于 ‘节点’‘节点’； 19. 状态下，选择和前面相同的节点； 20. 确认模式 模式 处于 ‘添加’‘添加’； 21. 选择下方的任意方向荷载任意方向荷载； 22. 点击； 23. 确认选择工具条中的过滤选择过滤选择中为‘基准轴A’‘基准轴A’； 24. 状态下指定工作树中的 基准 ‘Y-Axis’基准 ‘Y-Axis’； 25. F F 输入 ‘11,570.9’‘11,570.9’； 26. 点击预览，确认弯矩是否正常加载； 27. 点击。 桥墩基础的稳定分析 18 GTS基础例题15 - 14 GTS基础例题15 - 14 分析工况 运行分析之前需先定义分析工况。模型中即使定义了很多单元、荷载和边界条 件，但如果不在分析工况中指定，是不会反映到分析中的。 1. 在主菜单选择 分析 分析工况分析 分析工况 2. 点击。 GTS基础例题15 - 15 GTS基础例题15 - 15 定义线性静力分析的分析工况。 3. 名称 名称 中输入 ‘基础例题15’ ‘基础例题15’； 4. 描述 描述 中输入 ‘桥墩基础的稳定分析’ ‘桥墩基础的稳定分析’； 5. 分析类型 分析类型 指定为 ‘线性静力’ ‘线性静力’； 6. 确认分析模型分析模型中初始单元, 初始边界初始单元, 初始边界被指定为 ‘全部’‘全部’； 7. 在添加或修改初始模型添加或修改初始模型的设置目录树设置目录树中选择荷载 荷载 ‘上部荷载’, ‘弯矩’‘上部荷载’, ‘弯矩’； 8. 将选择的荷载组拖放到右侧的激活激活框内； 9. 点击； 10. 在分析工况对话框点击。 GTS基础例题15 19 GTS基础例题 15 - 16 GTS基础例题 15 - 16 GTS基础例题 15 - 17 GTS基础例题 15 - 17 桥墩基础的稳定分析 20 分析 运行分析。 1. 在主菜单选择 分析 分析分析 分析 分析过程中的信息会显示于下方的信息窗口。需要注意分析信息中是否存在警告 Warning信息，如果存在警告信息，此时的分析结果有可能是不可信的。 运次分析时程序会自动保存模型。分析结果会以*.TA*的二进制Binary文件形 式保存在模型文件相同的文件夹里。另外分析信息会以文本文件的*.OUT形式保存。 GT基础例题15 - 18 GT基础例题15 - 18 GTS基础例题15 21 查看分析结果 分析正常结束的话会转到后处理模式。这里介绍一下查看各项分析结果的方法。 1. 在工作树选择边界边界； 2. 点击鼠标右键调出关联菜单； 3. 选择隐藏全部隐藏全部； 4. 同样选择工作树的荷载荷载，相同方法隐藏全部隐藏全部； 5. 选择工作树中的几何几何； 6. 点击鼠标右键调出关联菜单； 7. 选择隐藏全部隐藏全部； 8. 不做任何选择的状态下在窗口点击右键调出关联菜单； 9. 选择隐藏基准与工作面隐藏基准与工作面。 为了明确清楚地显示图形结果，最好将建模过程中使用的一些信息都隐藏起来。 即，在窗口中不显 示荷载和边界。 即，在窗口中不显 示荷载和边界。 桥墩基础的稳定分析 22 位移（Displacement） 首先查看竖向位移。 1. 在工作树下方选择结果结果表单； 2. 在 工 作 树 点 击 ST 基 础 例 题 15 Static Result Displacement ST 基 础 例 题 15 Static Result Displacement ‘DZV’‘DZV’； 3. 点击视图工具条的 WP法向WP法向。 GTS基础例题15 - 19 GTS基础例题15 - 19 GTS基础例题15 23 提取结果 利用提取结果的功能用户可以提取出自己需要的结果。这里为了验算桥墩基础的稳 定，利用该功能查看采用平板试验的结果通过数值分析得到的最大沉降量。 1. 在主菜单选择结果 提取结果结果 提取结果； 2. 确认输出数据 输出数据 中的分析组 分析组 为 ‘ST 基础例题15’‘ST 基础例题15’； 3. 步骤 ‘Static Result’‘Static Result’； 4. 数据 数据 选择 ‘DZV’ ‘DZV’； 5. 在步骤 数据 步骤 数据 中钩选 ‘Static Result DZV’‘Static Result DZV’； 6. 顺序 顺序 选择 ‘节点’ ‘节点’； 7. 在节点结果输出节点结果输出 的用户定义用户定义中参考图GTS基础例题15-20GTS基础例题15-20在工作窗口框选模型 中央的9个节点； 8. 点击排序 排序 中的； 9. 点击； 桥墩基础的稳定分析 24 GTS基础例题15 - 20 GTS基础例题15 - 20 GTS基础例题15 - 21 GTS基础例题15 - 21 GTS基础例题15 25 10. 利用键盘的Ctrl键同时选择‘X’‘X’列和‘Static Result DZV’‘Static Result DZV’ 列； 11. 在表格上点击右键调出关联菜单； 12. 选择图表；图表； 13. 确认X标签索引X标签索引指定为‘X’‘X’； 14. 在Y 标签数值Y 标签数值中输入‘竖向沉降量’‘竖向沉降量’； 15. 图形标题 图形标题 中输入‘桥墩中央竖向位移分布’ ‘桥墩中央竖向位移分布’； 16. 点击。 GTS基础例题15 - 22 GTS基础例题15 - 22 GTS基础例题15 - 23 GTS基础例题15 - 23 桥墩基础的稳定分析 26 GTS基础例题15 - 24 GTS基础例题15 - 24 如上所述，对于分析后的结果用户可以根据需要提取特定的结果，并按表格或图 形的形式输出，这里的表格与MS Excel可以实现完全互换。 GTS基础例题15 27 板内力（Plate Forces） 查看桥墩基础底板的弯矩。 1. 在工作树双击ST 基础例题15 Static Result Plate Forces ST 基础例题15 Static Result Plate Forces ‘LO- Plate Myy’ ‘LO- Plate Myy’。 GTS基础例题15 - 25 GTS基础例题15 - 25 桥墩基础的稳定分析 28 板应力（Plate Stresses） 查看桥墩基础底板的最大主应力。 1. 在工作树双击ST 基础例题15 Static Result Plate Stresses ST 基础例题15 Static Result Plate Stresses ‘LO- Plate P1Top’ ‘LO- Plate P1Top’。 GTS基础例题15 - 25 GTS基础例题15 - 25