一种基于ansys的多锚点全埋式抗滑桩计算方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于ANSYS的多锚点全埋式抗滑桩计算方法，包括下列步骤：(1)建立样板数据库，输入桩长、桩截面、推力大小及分布形式、桩周土；(2)设定模拟单元；(3)输入多锚点全埋式抗滑桩中三种单元的材料参数，包括梁单元的弹模、泊松比和密度，锚索链杆单元的弹模和泊松比，地基反力的弹簧单元的变形模量；(4)建立模型；(5)定义UX、UY约束；(6)加载，将滑坡推力施加于滑面以上的抗滑桩单元上；(7)求解计算，进行有限元计算，导出计算结果。本发明填补了多锚点全埋式抗滑桩设计计算的空白，能够方便快捷地设计计算多锚点全埋式抗滑桩，大大缩短计算时间。
【专利说明】
-种基于ANSYS的多猫点全埋式抗滑巧计算方法
技术领域
[0001] 本发明设及滑坡治理领域，具体是指一种基于ANSYS的多错点全埋式抗滑粧计算 方法。
【背景技术】
[0002] 戒台寺滑坡的治理属于抢险工程，一期工程完成后，现场勘察工作尚在进行。由于 后续设计工作难W做到一步到位，因此需要实行"动态设计，信息化施工"，由设计指导施 工，通过施工反馈调整设计，W达到整治工程设计的最优化。
[0003] 在地质编录过程中发现，滑动面比原推测的要深，滑坡推力自然要比原设计时要 大，必须作出设计调整。欲抵抗更大推力，有多种方式。一是可加大抗滑粧截面和粧长，同时 增加粧头错索数量。运样W来，抗滑粧巧工量倍增，钢筋、混凝±用量会有较大程度的增加， 不仅加大投资成本，且粧头错索过于密集，可能会导致群错效应，影响错固效果。
[0004] 我们对推力与粧抗力的进行反复检算、论证，调整了增加的错索位置，将其移至粧 坑内部，形成多错点粧，设计出了一种新型抗滑结构称之为"多错点全埋式抗滑粧"。多错点 全埋式抗滑粧仍系主动式受力结构。随着错索错固位置的不同，多错点全埋式抗滑粧受力 变成了多点近似较接，端点近似弹性固定端的连续梁式结构。多错点全埋式抗滑粧，实质上 是给滑坡主动施加了多个阻止其下滑的外力，全方位限制了滑体的移动，张拉完成后可立 即阻止滑坡的活动，稳定滑坡。他比单错点抗滑粧的近似简支梁结构受力更为合理，从而改 善了粧身受力分布，可W有效控制粧身位移，进而治理工程造价。
[0005] 多错点全埋式抗滑粧(图1)与普通错索粧(图2)相比较，在粧身滑面W上不同位置 设置了多点错索，而不是仅集中于粧头部位。因此，改善了普通错索粧的简支梁受力状态， 变为类似连续梁的受力结构，从而有效减小了粧截面尺寸及粧置于稳定地层中的错固长 度，有较大的推广应用前景。
[0006] 但是关于多错点全埋式抗滑粧，运种新型抗滑结构的设计计算，目前还没有一套 成熟的计算理论。目前计算软件不完善，难W考虑粧中错点的受力情况，难W计算粧身内力 粧身内力及错索受力情况。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于:克服现有技术上述缺陷，提供一种基于ANSYS的多错点全埋式 抗滑粧计算方法。本发明填补了多错点全埋式抗滑粧设计计算的空白，能够方便快捷地设 计计算多错点全埋式抗滑粧，大大缩短计算时间。
[000引本发明通过下述技术方案实现：
[0009] -种基于ANSYS的多错点全埋式抗滑粧计算方法，包括下列步骤：
[0010] (1)建立样板数据库，输入滑坡推力大小、滑面深度和粧截面大小；
[0011] (2)设定模拟单元，如抗滑粧采用beam3单元，每0.5m作为1个单元，错索采用 LINK10单元，每1 .Om作为1个单元，地基反力采用C0MBIN14弹黃单元模拟，粧长方向每1 .Om 设置1个弹黃单元，弹黃单元长1. Om;
[0012] (3)输入多错点全埋式抗滑粧中=种单元的材料参数，包括梁单元的弹模、泊松比 和密度，错索链杆单元的弹模和泊松比，地基反力的弹黃单元的变形模量；
[OOU] (4)建立模型；
[0014] (5)定义 UX、UY 约束；
[0015] (6)加载，将滑坡推力施加于滑面W上的抗滑粧单元上；
[0016] (7)求解计算，进行有限元计算，导出计算结果。
[0017] 在步骤(4)中，可采用直接建模或间接建模，直接建模通过建立节点，由节点生成 单元;间接建模为用点、线画好抗滑粧单元，再网格化生成单元。
[0018] 在步骤(7)中，由计算机进行有限元计算，若出现计算结果不收敛的情况，则需限 定循环的次数及计算子步数，再重新进行计算。。
[0019] 本发明与现有技术相比，具有W下优点及有益效果:本发明填补了多错点全埋式 抗滑粧设计计算的空白，能够方便快捷地设计计算多错点全埋式抗滑粧，大大缩短计算时 间。
【附图说明】
[0020] 图1为多错点全埋式抗滑粧的使用示意图。
[0021 ]图2为普通错索粧的使用示意图。
[0022] 图3为单元荷载及位移示意图。
[0023] 图4为在ANSYS8.1软件中运行过程示意图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图对本发明进行进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此：
[0025] 有限元计算抗滑粧，主要目的是计算抗滑粧在滑坡推力荷载下的粧身内力及粧身 变形。基本假定:①结构在荷载范围内未发生破坏。②结构只发生弹性变形，无塑性变形产 生。基本思路和原理如下所述：
[0026] (1)单元刚度矩阵
[0027] 局部坐标下，单元节点位移分量和节点的正方向如图3所示。对抗滑粧而言，不考 虑轴力产生弯曲的作用，轴向力的作用仅在于使构件产生轴向变形。
[0028] 建立杆端力与杆端位移间的关系，即用矩阵形式来表示转角位移方程。设单元编 号为(e)的两端点i、jni端的轴力F'Bni、剪力F'Bsi、弯矩M'6i和j端的轴力F'Bnj、剪力F'Bsj、弯 矩M'e^，它们相对应的位移有U'6i、V'ei、d) "1和U'VV'V W正负号规定:轴力WX轴为 正，剪力y轴为正，弯矩逆时针为正。查表(单位位移时的结点反力表），根据叠加原理有：
[0029]
[0030]
[0031]
[0032]
[0033]
[0034]
[0035] 即得两端承受弯矩、剪力的平面梁单元在局部坐标系下的单元平衡方程和单元刚 度矩阵如下：
[0036]
[0037]
[00；3 引
[0039]单元平衡方程式也可W写成如下分块形式：
[0040；
[0041] 上式中每个子矩阵/T、…、巧都是一个=阶子块。把巧^简称为e号杆i端的近端 刚度，馬简称为i端的远端刚度。同样，对e号杆j端而言，巧为其近端刚度，为其远端刚 度。进行一般性分析，上式往往比较简单，也具有明确的物理意义。其中。'6、5'6分别称为单 元杆力列向量和杆端位移向量，K'6称为单元刚度矩阵(简称单刚）。单元刚度矩阵毎一元素 的物理意义是:所对应的杆端位移分量等于1(其余杆端位移为0)时所引起的其所在行对应 的杆端力分量的数值。
[0042] 在前面的讨论当中，节点总数NJ包括支承约束的结点个数，因此，所建立的结点平 衡方程组是无约束结构平衡方程组。
[0043] (2)结构刚度矩阵
[0044] 在结构中，给毎杆杆件编号，毎结点编号。毎个结点的位移A i表示为
[0045]
[0046] ]力可表示为：
[0047]
[0048] 考虑结构的平衡条件和变形连续条件(主要是结点处）。
[0049] 由平衡条件有：
[0050] Fxi= EjFJxi( j单元与结点i相连，下同)
[0051] ^=EjFV [0化2] Mi= E jM-^i
[0化3] 写成巧降的形式有：
[0化4]
[0化日]可简写成：
[0化6] Fi=EjFJj (b)
[0057]而上式可用下列式表示(杆端力列向量可杆端位移列向量表示）：
[00则 FJi= EhkihSh化与i结点为同一杆件的端点，可h = i) (c)
[0059] 再由变形条件有：
[0060] Ai=E5Ji (d)
[0061] 将(c)、（d)式代入(b)式，用于结构中所有结点写成矩阵表示有：
[0062] F=K A
[0063] 称为结构的原始刚度方程，K为结构的原始刚度矩阵，也称总刚度矩阵，与单位矩 阵一样，具有对称性、奇异性。①.总刚中的主子块由结点i的相关单元的主子块叠加求 得，即：kii=E All。②.总刚中的副子块ku，，当为相关结点时即联结它们的单元的相应副 子块kim二kjmi ,，否则为〇。
[0064] (3)根据已知约束条件求解结构刚度矩阵
[0065] 处于静力平衡状态的无约束结构可W产生任意的刚体位移。与单元刚度矩阵是奇 异矩阵的理由一样，无约束结构的结构刚度矩阵也是奇异矩阵，即矩阵的行列式为零。
[0066] -般的工程结构如抗滑粧，都是几何不变体系，即都有足够的支承约束条件，排除 了发生任何刚体位移的可能性。为了引入支座约束条件，把公式S = [Si，. . .，Sm]T所表示的 结点的总位移量S分为两部分。一部分是不受约束的位移分量，记为Sf(下标为打ee的字头， 表示不受约束）；另一部分是受约束刚性支承约束的位移分量，记为Sr(下标为热缩trained 的字头，表示受有约束）。不失一般性，无妨认为第1号到第号位移分量是不受约束的，其余 Nr个位移分量是受有刚性支承约束的，即记(注意N+Nr = m)
[0067] 5f=[Si,82,...,Sn]t
[0068] 显然，未知结点位移总数为N，把方程组的系数矩阵即结构刚度矩阵KW及总荷载 矢量P也相应地予W分割，就有
[0069]
[0070] 上式中Pf是已知的结点荷载，Pr是未知的支座反力。
[0071 ]按照矩阵乘法规则，上式即得：
[0072] Kf f 5f+Kf r5r = Pf ^PKrf 5f+Krr5r = Pr
[0073] 每个受刚性支承约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] 可解出全部未知结点的位移：
[0076]
[0077] 农出支座反力 [007引
[0079] 至此所有节点的位移S及荷载P均W求出，结构的位移及内力也相应求得。W上诸 式中，表示矩阵Kff的逆矩阵。
[0080] 按照上述有限元计算原理，编制了运行于ANSYS8.1的程序进行计算，参见图4，步 骤如下：
[0081 ]先启动ANSYS8.1软件，运行程序，
[0082] (1)输入各参数，如:粧长、粧截面、推力大小及分布形式、粧周±。
[0083] (2)建立单元类型，即运用何种单元来模拟，抗滑粧采用beam3单元，每0.5m作为1 个单元。错索采用LINK10单元，每1.0m作为1个单元。地基反力采用C0MBIN14弹黃单元模拟， 粧长方向每1.0m设置1个弹黃单元，弹黃单元长1.0m(也即相当于粧周受影响的岩±体范 围）。
[0084] (3)输入单元材料参数，主要输入抗滑粧中=种单元的弹模、泊松比等材料参数， W戒台寺滑坡为例，
[0085] 梁单元:弹模 Ex = 3e 10，泊松比 PRXY = 0.25，密度 Dens = 2500kg/m3;
[0086] 错索链杆单元:弹模Ex = 1.90el 1，泊松比PRXY = 0.33;
[0087] 地基反力的弹黃单元:变形模量=2.55E10。
[0088] (4)建模:可直接建模的方法，建立节点，由节点生成单元;也可间接建模，用点、线 画好抗滑粧模型，再网格化生成单元。
[0089] (5)定义UX、UY约束。因为是二维模型，UZ向（即抗滑粧侧向）可忽略。滑坡推力的作 用方向及坡体变形主要是水平方向（UX)。约束的施加对计算结果影响很大，因此要充分考 虑分析实际抗滑粧所受的约束，W便使施加的约束与实际符合得更好。
[0090] (6)加载。将滑坡推力施加于滑面W上的抗滑粧单元上，注意滑坡推力的分布形 式。
[0091] (7)求解。前面6步完成后，由计算机进行有限元计算，计算结果在后处理文件中。
[0092] W上(4)、（5)、（6)、（7)等步骤由程序自动完成。
[0093] 在计算过程中，会出现非线性解。如果出现计算不收敛的情况，先检查计算程序， 改善改进算法，确认无误后，限定循环的次数及计算子步数，再进行计算。
[0094] W上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依 据本发明的技术实质对W上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护 范围。
【主权项】
1. 一种基于ANSYS的多锚点全埋式抗滑粧计算方法，其特征在于:包括下列步骤： (1) 建立样板数据库，输入粧长、粧截面、推力大小及分布形式、粧周土； (2) 设定模拟单元； (3) 输入多锚点全埋式抗滑粧中三种单元的材料参数，包括梁单元的弹模、泊松比和密 度，锚索链杆单元的弹模和泊松比，地基反力的弹簧单元的变形模量； (4) 建立模型； (5) 定义1^、仍约束； (6) 加载，将滑坡推力施加于滑面以上的抗滑粧单元上； (7) 求解计算，进行有限元计算，导出计算结果。2. 根据权利要求1所述的一种基于ANSYS的多锚点全埋式抗滑粧计算方法，其特征在 于:在步骤(4)中，可采用直接建模或间接建模，直接建模通过建立节点，由节点生成单元； 间接建模为用点、线画好抗滑粧单元，再网格化生成单元。3. 根据权利要求1所述的一种基于ANSYS的多锚点全埋式抗滑粧计算方法，其特征在 于:在步骤(7)中，由计算机进行有限元计算，若出现计算结果不收敛的情况，贝lj需限定循环 的次数及计算子步数，再重新进行计算。
【文档编号】G06F17/50GK106049510SQ201610370300
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】邓安, 彭涛
【申请人】中冶成都勘察研究总院有限公司