多荷载作用下路基土力学特性有限元分析-论文发表网

分类：物理论文发表 时间：2011-06-14 08:26 关注：(1)

多荷载作用下路基土力学特性有限元分析

梁树锋

摘要：有限元在房屋建筑、道路、桥梁、隧道等土木工程领域领域已经得到了广泛的应用，本文通过ANSYS有限元分析软件，并对二维模态进行分析。

关键词：路基；土力学；ANSYS

中图分类号：TU 452 文献标识码：A

1 ANSYS简介

ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元计算机设计程序。该软件90年代开始在我国许多领域得到广泛的应用，为各领域中的产品设计、科学研究等方面做出了巨大的贡献。ANSYS分析过程中包含三个主要的步骤：(1)创建有限元模型； (2)施加载荷并求解；(3)查看、处理结果[1-2]。

2路基有限元分析方案

2.1路基有限元离散模型的建立

单元的选取。根据路基路面结构的实际情况，沿线路纵向作用于路基的正应变可近似为零，变形只发生在横截面内，故假定为平面应变问题。采用PLANE42单元作为平面应变单元来模拟路基路面。PLANE42是建立二维实体结构模型常用的一种单元，该单元由四个节点定义，每个节点有两个自由度：节点坐标系x，y方向的平动。该单元有塑形、蠕变、膨胀、应力钢化、大变形和大应变功能。

路基几何模型的建立。根据工程的实际情况，建立路基整体模型。沥青混凝土路面厚0.2m，基层厚0.4m，路堤高度为4.6m，坡度为1:1.5，路面宽为12m， 地基的厚度取4.8m。

材料的选取。根据现场取样，室内土工试验取得的材料参数如表1所示，本路基模型材料参数的确定如表2；离散有限元模型如图1

表1 室内土工试验成果表

试样 物理试验 力学试验

天然含水率ω0

(%) 湿密度ρ0

g/cm3 比重

Gs 液限％ 塑限％ 液性指数 粘聚力C

KPa 内摩擦角φ

(度)

粉质粘土 17.2 1.8 2.4 32.2 16.3 0.2 30 16

粘土 31.7~62 1.9 2.8 31.9 19.5 0.82 50 22

卵石质土 容许承载力0.5MPa，压缩模量25.0MPa，变形模量50MPa

表2 材料的主要计算参数

材料类型 厚度（m） 弹性模量Ε 泊松比μ 内摩察角φ 粘聚力 密度ρ

沥青混凝土路面 0.2 1200 0.25 2300

水泥稳定碎石基层 0.4 700 0.3 2200

路基 粉质粘土 3 35 0.35 16 30 1800

粘土 6.4 60 0.4 22 55 1900

 

 

图1路基有限元模型

有限元分析中网格划分越精细，得到的数值解越精确，但需要增加更多的计算时间，占用更多地计算机资源。考虑到计算结果的准确和计算资源的有效利用，从路面向下到地基，网格划分有细到宽，地基网格单元每个宽1m。

2.2模型路基荷载施加

(1)位移约束，地基模型横断面两边水平方向被约束，下边竖直方向被约束。

(2)静、动载荷施加。把道路两旁的静载荷简化为不随时间变化的集中荷载P，车辆荷载施加PD于道路的中央，加载方式为半波正弦荷载，动载作用开始时间为1s，结束时间1.5s，荷载步长取0.05s，计算时间为2s。本论文荷载模型保持动载的作用周期不变0.5s，通过改变静载P或动载PD大小，改变组合荷载大小。静载位于动载的两边，且距离动载各1m。

2.3计算

在有限元求解时，由于地基土为非线性材料，同时路面上的车辆荷载作用具有瞬时性，故采用ANSYS程序中提供的瞬态分析模块，首先对模型进行模态分析，确定模型的固有频率，以确定有限元模型的阻尼系数α，β；在求解动力方程时采用Newmark-β时间积分法，该法是一种隐式方法。在使用Newmark-β时间积分法求解时，每次求解前，程序选择Newton-Raphson方法首先估计荷载的残差是否满足力的收敛条件，如果不满足收敛条件，重新估计荷载的残差量，修改刚度矩阵，获得新解，持续这种迭代过程直道问题收敛，最后解出所有节点的位移。

采用ANSYS程序的通用后处理模块及时间历程处理模块对结果进行分析。

3二维模态分析

模态分析用于确定设计结构或结构部件的振动特性，即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也可以作为其他动力学分析问题如瞬态动力学分析的起点，也是检验建立模型可靠性的重要方面。一般而言，结构动力响应主要由前n阶振型提供，高阶振型影响不大，所以本次计算采用3阶振动模态，如表3.

表3 前三个模态振动频率

主振型 固有频率f（Hz） 圆频率ω（rad/sec）

第一振型 2.4848 15.61

第二振型 4.3827 27.54

第三振型 4.5308 28.51

计算采用瑞利线性阻尼，选定前两个振型的固有频率以确定阻尼系数，根据经验振型阻尼比取ξ1 ＝0.1 ，ξ2＝0.1，求得，α= 1.57，β=0.025

 

 

图2模态分析振型图

4小结

本章利用有限元动力学的基本原理，弹塑性本构关系理论，结合有限元分析软件ANSYS，对多荷载作用下层状路基土的二维模态进行了分析计算。.

参考文献

[1] 徐鹤山. ANSYS在建筑工程中的应用. 机械工业出版设.2005

[2] 李权. ANSYS在土木工程中的应用. 人民邮电出版设.2005