這個示例問題模擬了土壤環(huán)境和鋼吸力樁結(jié)構(gòu)之間的相互作用。土壤的非線性塑性行為使用莫爾-庫侖材料進(jìn)行建模。該問題考察了缺陷對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。

重點介紹了以下特性和功能：

• 通用固體單元技術(shù)

• 莫爾-庫侖，地質(zhì)力學(xué)中使用的幾種材料模型之一

• 初始應(yīng)力狀態(tài)

• 屈曲分析（用于產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷）

• 非線性靜態(tài)分析

介紹

吸力樁（也稱為吸力沉箱或吸力錨）是連接到樁頂或樁帽的鋼管。蓋子包括：

• 用于控制壓力的閥門（用于嵌入樁的負(fù)壓或用于移除樁的正壓）

• 取決于樁的預(yù)期用途的各種連接

在操作過程中，吸力樁與周圍土壤相互作用。

使用吸力樁的工程結(jié)構(gòu)通常在必須考慮土壤-結(jié)構(gòu)相互作用的環(huán)境中運行，以真實地描述結(jié)構(gòu)行為。使用標(biāo)稱幾何形狀，特別是在薄壁管壁的情況下，可能會導(dǎo)致高估結(jié)構(gòu)承載能力。

引入缺陷的有效方法包括進(jìn)行預(yù)應(yīng)力屈曲分析，并根據(jù)結(jié)果生成更新的幾何圖形。然后，可以在隨后的非線性靜態(tài)分析中使用調(diào)整后的幾何結(jié)構(gòu)，以獲得更真實的結(jié)構(gòu)行為模擬。

問題描述

吸力樁周圍和部分填充有粘性低的砂狀土壤。

載荷條件包括內(nèi)外吸力樁表面上的主動和被動徑向土壓力。

使用特定的加載歷史進(jìn)行具有標(biāo)稱幾何結(jié)構(gòu)的非線性靜態(tài)分析。最初，應(yīng)用原位應(yīng)力狀態(tài)，考慮土壤的重力加速度、土壤深度和泊松比。吸力樁進(jìn)一步承受負(fù)壓、吸力樁與打樁結(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生的界面力以及樁裙與土壤之間的附加摩擦力。

幾何缺陷由第一屈曲模態(tài)和規(guī)定的比例因子產(chǎn)生。

在更新幾何結(jié)構(gòu)以考慮缺陷后，進(jìn)行后續(xù)的非線性靜態(tài)分析。與早期的標(biāo)稱幾何靜態(tài)分析結(jié)果相比，應(yīng)力狀態(tài)和變形結(jié)果明顯不同。

建模

吸力樁模型使用SHELL281二次殼單元。

內(nèi)部和外部土壤模型使用SOLID186二次實體單元。

通過CONTA174/TARGE170接觸對，在外部土壤和吸力樁裙部之間以及內(nèi)部土壤和吸力樁樁裙部之間定義了非線性摩擦接觸區(qū)域。

吸力樁裙板的恒定殼厚定義為ts=20 mm，吸力樁頂部的有效殼厚為tT=180mm。

材料屬性

土壤材料采用具有弱膨脹效應(yīng)的理想塑性Mohr-Coulomb材料進(jìn)行建模：

使用彈塑性雙線性運動硬化模型對結(jié)構(gòu)鋼材料進(jìn)行建模。

分析流程

吸力樁分析包括三個順序分析：

第一部分：標(biāo)稱幾何非線性靜態(tài)分析

進(jìn)行了具有標(biāo)稱幾何結(jié)構(gòu)的非線性靜態(tài)分析。該分析說明了特定的載荷歷史，以獲得適用于后續(xù)屈曲分析的荷載和應(yīng)力狀態(tài)。

邊界條件

土壤和吸力樁裙部的底部節(jié)點在垂直方向上固定。

垂直方向上的位移限制在地下模型的所有四邊。

水平方向的位移限制在吸力樁的頂部外圈上。

加載

加載分四步進(jìn)行：

載荷步1：土壤重力加速度+初始應(yīng)力狀態(tài)

通過向土壤施加g=9.81m/s2的重力加速度，產(chǎn)生初始原位土壓力。

原位應(yīng)力狀態(tài)計算導(dǎo)致不期望的垂直變形。為了緩解這個問題，施加了初始應(yīng)力狀態(tài)，從而使重力載荷步的初始狀態(tài)幾乎無變形。

通常，土壤處于已固結(jié)狀態(tài)。因此，靜止荷載引起的初始位移是不自然的，應(yīng)盡量減少。垂直應(yīng)力狀態(tài)SZ根據(jù)土壤深度線性變化。Sz通過土壤密度ρ、重力加速度g和每個單元的垂直高度h確定：

側(cè)向土壓力系數(shù)定義為水平應(yīng)力分量與垂直應(yīng)力分量之比。對于彈性載荷條件下水平保持的非超固結(jié)土，該系數(shù)通過泊松比確定。

水平應(yīng)力分量由以下公式確定：

已知應(yīng)力狀態(tài)作為初始狀態(tài)（INISTATE）應(yīng)用。

以下是最終的垂直壓力分布：

正確應(yīng)用初始靜止壓力狀態(tài)，同時土壤結(jié)構(gòu)保持其初始形狀。

由于土壤區(qū)域內(nèi)部和/或外部的不平衡土壤壓力和接觸滲透，邊緣位移（<0.5 mm）是可接受的：

載荷步2：吸力樁上的重力加速度

吸力樁的重力加速度為9.81 m/s2

載荷步3：吸力樁頂部的相互作用力（上部結(jié)構(gòu)）

與上部結(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生的力作用于吸力樁頂部。

力/力矩通過接觸對（CONTA174/TARGE170）分布在樁頂，并啟用導(dǎo)向節(jié)點選項

載荷步4：吸入壓力和輔助摩擦力

吸力施加在吸力樁裙部和蓋子上。假設(shè)吸力樁裙板上的壓力恒定。

假設(shè)摩擦力施加在吸力樁裙板上，裙板與土壤相互作用。

分析和求解控制

進(jìn)行非線性靜態(tài)分析。原位應(yīng)力狀態(tài)（加載步1在單個子步中計算。

加載步2至4在啟用自動時間步長的情況下計算。

結(jié)果和討論

初始應(yīng)力狀態(tài)結(jié)果記錄在加載中。以下是加載步4后的結(jié)果

吸力樁上的載荷導(dǎo)致土壤中的塑性應(yīng)變。由于加載步3（和加載步4中的不對稱加載，塑性應(yīng)變分布不對稱。

吸力樁上的應(yīng)變導(dǎo)致吸力樁帽頸部的塑性應(yīng)變：

第二部分：具有標(biāo)稱幾何的線性屈曲分析

在進(jìn)行了具有標(biāo)稱幾何結(jié)構(gòu)的非線性靜態(tài)分析之后，進(jìn)行了具有額定幾何結(jié)構(gòu)的線性屈曲分析，以獲得與靜態(tài)荷載相關(guān)的潛在穩(wěn)定模式。結(jié)果用作定義缺陷的基礎(chǔ)。

邊界條件

使用了先前靜態(tài)分析的邊界條件。

加載

來自先前靜態(tài)分析中的加載步4的最終加載狀態(tài)被用作參考加載。

分析和求解控制

進(jìn)行線性屈曲分析。計算并擴展了十個本征模態(tài)。

等效應(yīng)力和等效總應(yīng)變圖的解1和解2的比較表明，結(jié)果符合：

結(jié)果和討論

屈曲分析期間計算了十個本征模態(tài)。得出的載荷系數(shù)范圍為0.61086至1.1468。

比例因子為0.135的第一屈曲模態(tài)用于產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷：

第三部分：修改幾何的非線性靜力分析

使用屈曲分析中更新的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行第二次非線性靜態(tài)分析。為了觀察增加的結(jié)構(gòu)缺陷的影響，分析使用了與第一次靜態(tài)分析相同的載荷。

邊界條件

使用第一次靜態(tài)分析的邊界條件。

加載

加載與第一次靜態(tài)分析相同。然而，在分析開始時，幾何結(jié)構(gòu)被更新（UPGEOM）以說明缺陷（根據(jù)屈曲分析結(jié)果定義）。

分析和求解控制

進(jìn)行非線性靜態(tài)分析，類似于第一次，但使用更新的幾何結(jié)構(gòu)。

結(jié)果和討論

以下是加載步4后的結(jié)果。

與使用標(biāo)稱幾何結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析結(jié)果相比，使用具有缺陷的最新幾何結(jié)構(gòu)的分析表明，吸力樁裙板上的位移和變形更大，導(dǎo)致塑性應(yīng)變更高：

無缺陷的吸力樁幾何結(jié)構(gòu)導(dǎo)致吸力樁帽頸部的最大塑性應(yīng)變。在包括缺陷后，相同的載荷導(dǎo)致臨界區(qū)域從吸力樁頸部移動到裙部：

考慮潛在的結(jié)構(gòu)缺陷會導(dǎo)致定性和定量的不同結(jié)果。

建議

執(zhí)行自己的吸力樁分析時，考慮以下事項：

&bull; 對于三維土壤分析，使用SOLID186二次磚單元和SHELL281二次殼單元。

&bull; 為確保應(yīng)力狀態(tài)和外部載荷的一致性，在單個子步中應(yīng)用初始狀態(tài)（INISTATE）。

&bull; 對于線性屈曲分析，選擇合適的模態(tài)形狀，并將其與適當(dāng)?shù)谋壤蜃酉嘟Y(jié)合。

參考文獻(xiàn)

Eurocode 7: Geotechnical Design - Part 1: General Rules, 2014. DIN EN 1997-1:2014-3 (E).

Lazebnik, G. E. & Tsinker, G. P. (1998). Lateral earth pressure at rest. 165-183. Monitoring of Soil-Structure Interaction: Instruments for Measuring Soil Pressures. New York: Springer.