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2025-01-07

土-结构相互作用建模

软件中可以选择土与结构相互作用的计算原理。 本章按详细信息的顺序介绍建模方法。 请注意,对结构土-土相互作用的详细模拟和精度越高,通常会增加建模和计算时间。 下图显示了各种方法。

二维 | 文克勒地基模型

二维地基模拟中,在地基底部设置了等效弹簧。

在模量法(也称为 Winkler 基础)中,由于地基接触应力与其产生的沉降之间的线性关系,所以这些弹簧的刚度被描述为恒定。

在这里,剪切刚度和相邻的土体都被忽略了,所以产生的是一个沉降沟,而不是沉降盆。 这种相互作用行为对于干燥的均质砂是最真实的,此时的剪切刚度非常低。
为了考虑剪切刚度和周围的土层,并且为了更真实地模拟沉降行为,该方法进行了改进。

二维 | 改进的文克勒地基模型

最简单的修改是通过增加边缘区域的弹簧刚度来模拟沉降盆地现象。 下图显示了根据左侧Dörken und Deehne [1] 的方法,其中基础尺寸四分之一的面积线性增加到双倍刚度。 它是按照 Bellmann 和 Katz 的规定增加了层理模量 [2] ,而在外部有限元行中施加的刚度增加了4倍。

类型 2D | 改进的双参数法路基基础搭接时的模量反力方法

为了更加真实地考虑抗剪承载力和相邻的土体区域,修改了土体模型,在该模型中设置了无刚度的地基重叠部分。 边界条件为边缘沉降可以忽略不计。 其优点是除了考虑抗剪承载力外,还可以考虑相邻基础。
竖向基基反力模量c1,z和抗剪承载力c2,v可以根据 Pasternak 或 Barwaschow 的以下两种方法进行计算{%31}#Refer [3]]]。

类型 2D | 等效弹簧时改进的双参数法

根据 Kolar 和 Nemec 的理论{%! 附加弹簧作用在基础的轮廓和角点上。 可以按照下面的公式计算。

2D | 刚度模量法(弹性半空间)

使用刚度模量法(弹性半空间)可以对土体模型进行更精确的模拟 [6]。 通过确定可能的土层和沉降盆,以及迭代计算土-结构相互作用,该方法可以计算出更接近实际的弹性地基系数分布。

信息

该方法的实施形式为土体类型 二维 - 刚度模量法(弹性半空间)。 它对应于上一代程序附加模块“RF-SOILIN”的方法。

在计算地基接触应力时需要该基础参数的分布。 同时与压力有关。 地基与结构之间存在复杂的相互作用,因此不可能通过简单的计算确定地基参数。 第一步需要选择基础参数的起始值。 这些初始值可以用于对模型进行有限元分析。 由此得出地基接触应力的分布。
第一次迭代的地基接触应力在再次计算时作为初始值。 与输入的土层的刚度模量一起,可以计算每个有限元单元的沉降。 沉降和地基接触应力用于计算地基参数。 在下一步迭代中,新的地基参数替换旧的参数,并开始新的有限元分析
提供新的地基接触应力分布。 收敛的准则是将新的与旧的应力分布进行比较。 只要偏差不小于某个收敛极限,在计算新参数时,就会考虑新的应力分布。
如果未达到连续两个迭代步的土壤接触应力分布的差值,迭代结束。 因此会显示上一次迭代时的地基参数。 下图为使用刚度模量法(弹性半空间)的计算过程。

沉降sz是迭代计算地基参数中一个重要的中间值。 对于附加荷载引起的应力分布,地基按 Boussinesq 模型考虑为均匀的半空间线弹性、各向同性材料。 如下图所示。 在这里考虑沉降分量达到极限深度,该深度或者是由于超载产生的应力增量与土体自重应力相比可以忽略,或者是由于不可压缩的层(例如岩石)。 应力会按层进行积分。 沉降与相应的刚度模量一起计算。 通过接触应力𝜇z和沉降sz可以计算地基基础的参数。

三维

对结构土层相互作用进行真实和复杂的模拟是可能的,通过在三维有限元分析中对现有土层进行变形。 这里还可以考虑任何材料的几何和材料条件。 例如可以根据实际情况使用特殊材料模型 {%|002443]] 来模拟土的结构力学行为。 相邻基础的相互作用是由它们的几何关系通过三维网格划分和相容性确定的。

信息

该方法作为土体类型 三维 - 有限元法


参考
  1. 德肯, W. und Dehne, E. Grundbau in Beispielen Teil 2. Nach neuer DIN 1054:2005. Werner, Köln, 2007.
  2. Bellmann, J. und Katz, C. Bauwerk-Boden Wechselwirkungen, 3. FEM-Tagung Darmstadt, TH Darmstadt, 1994.
  3. Barwaschow, W. A. Setzungsberechnungen von unterschiedlichen Modellen. Osnowania fundamenti i mechanika gruntow 4/77, Moskau, 1977.
  4. Barth, C. 和 Rustler, W. 《Finite Elemente in der Baustatik-Praxis 》。 Bauwerk, Berlin, 2010.
  5. Kolázh, V. & Němec, I. Modeling of Soil-Structure Interaction, 2. Auflage. Amsterdam: Elsevier Science Publishers with Academica Prague, 1989
  6. JiRí Buček 等Soilin - 计算沉降和土层相互作用参数。 FEM consulting s.r.o., Brno-Nürnberg, November 1993.
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