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Irena Kirova，硕士

2025-01-15

岩土工程分析中考虑施工阶段

本文讨论了在有限元中对土体考虑施工阶段的技术问题和重要性，并举例说明了如何使用 RFEM 6 中的施工阶段进行岩土工程分析。

在岩土工程中，土的非线性和路径依赖性是分析岩土工程面临的一个挑战。应用有限元分析 (FEA) 对土-结构相互作用建模时，将施工阶段纳入分析对于实现准确的模拟、切合实际的预测和更安全的设计至关重要。忽略这个关键因素会导致不符合实际的应力分布、不准确的沉降预测以及结构的稳定性。在本文中探讨了采用该方法的主要原因，并强调了其在岩土工程分析中的意义。

土行为中的非线性和应力历史记录

土在荷载作用下的非线性行为；其响应取决于施加的应力的历史记录。在施工过程中随着荷载的增加，应力-应变关系也会随之变化。掌握应力的分布曲线，可以得到真实的应力分布，因为施工阶段会逐渐改变应力分布，从而影响沉降和强度。

施加顺序荷载

在建筑结构中，荷载是随着层或结构的增加而逐步施加的。有限元结构分析考虑了施工阶段并模拟实际荷载应用，可以准确预测沉降。这样可以避免高低估计地基反应，而影响结构的稳定性。

与现有结构的相互作用

在涉及相邻结构或既有结构的项目中，施工阶段对附近的建筑物或基础设施的影响可能会很大。阶段分析有助于评估不均匀沉降或结构损伤等风险。

施工挑战

分阶段分析有助于解决施工过程中出现的临时问题，例如排水、过度沉降等。通过对每个阶段进行模拟，工程师可以及早确定潜在的破坏机制，并设计减轻影响的措施，以便在施工过程中保持稳定性。

符合设计规范

现代岩土设计规范（例如欧洲规范 7）强调了在分析中考虑施工阶段的重要性。这些规范要求结构体系在施工过程中的稳定性和建成后的长期稳定性进行评估，因此设计过程需要分阶段进行。

RFEM 6 案例教程 - 悬索桥

了解了考虑施工阶段在岩土工程分析中的重要性之后，现在我们通过下面的模型研究如何应用这种方法。该模型是在 RFEM 6 中创建的一座建在土层上的钢筋混凝土建筑。该结构由每层钢筋混凝土板，基础底板，柱子和竖向墙体组成。施加的荷载包括土体自重、结构自重、自重和活荷载。

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在修改的硬化土模型上建造

对于不熟悉 RFEM 6 中施工阶段的用户，我们建议您参考下面列出的知识库文章。需要注意的是，软件中的施工阶段是根据两个主要因素来定义的：在特定阶段使用的结构构件以及该阶段所承受的荷载。为了清楚和简明扼要，该过程将是第一个施工阶段进行演示，并附有一张表格来说明如何将相同的工作流程扩展到其他阶段。

在施工初始阶段，重点是土壤。配置该阶段时，打开“施工阶段”窗口，在“实体”和“面”选项卡中选择，如图1所示。这一步确保土体和面都具有预先定义的边界条件。用户可以通过导航到相关选项卡来调整实体和面的状态。对于实体，请选择“全部”，因为此时模型中没有其他实体。同样，在“面”选项卡中可以输入边界条件面，例如编号为31-47和54-57的面，如图2所示。为了简化这个过程，可以使用预先定义的对象选择功能，以便同时添加所有相关的元素。这种方法不仅节省了时间，而且提高了施工阶段设置的准确性。

1 选择需要更改的对象

2 在 RFEM 6 施工阶段中修改面状态

定义了施工阶段的结构变化后，下一步就是指定该阶段有效的荷载工况。这可以在“荷载工况和组合”窗口的“施工阶段”选项卡中完成，如图3所示。在计算初始阶段时，程序只考虑土体的自重，并指定了相应的荷载工况。

3 建筑阶段分析中的荷载工况

在这一步中可以根据需要对所考虑的初始阶段进行调整（见图 4）。这是很重要的，因为在使用硬化土壤材料的分析中，首先必须将该材料线性化。请打开相关窗口，然后停用材料非线性，如图5所示。

4 荷载工况和组合中的施工阶段：主选项卡

5 应用结构修改

接下来，您可以通过在基本选项卡中打开“静力分析设置”窗口来调整各个阶段的静力分析设置。初始阶段没有激活，在该阶段中材料非线性被停用，但对于后续阶段（例如 CS2），“未变形结构的平衡”选项至关重要（见图 6）。这确保了变形为零，从而保持了土体自重的应力。这一步对于建立正确的应力状态至关重要，它可以确保材料模型提供合适的刚度。

6 在施工阶段编辑静力分析设置

查看图 6 中的设置，您可以看到，初始阶段的静力分析设置为单个荷载增量。但是，由于荷载将在连续的阶段施加，所以一些额外的考虑是必要的，例如调整荷载增量的数量以反映不断变化的荷载条件。为了解决这个问题，可以创建一个新的静力分析设置，并将更多的荷载增量分配给后面的阶段。下表中列出了模型中每个阶段的荷载增量的具体数目，以便与施工顺序精确保持一致。

表 1
施工阶段：	下：	添加的对象	当前荷载工况	结构调整：	荷载增量的数目：	其他注意事项：
CS1	/	土体、附加边界条件的面	LC4	已停用材料非线性模型	1	/
CS2	CS1	/	LC4	/	1	未变形结构的平衡状态 (u=0)
CS3	CS2	基础构件	LC1、LC4	/	2	/
CS4	CS3	一楼：墙和柱	LC1、LC4	/	2	/
CS5	CS4	一楼：楼板	LC1、LC4	/	2	/
CS6	CS5	1 楼：墙和柱	LC1、LC4	/	6	/
CS7	CS6	屋面天花板	LC1、LC4	/	6	/
CS8	CS7	自重	LC1、LC2、LC4	/	10	/
CS9	CS8	活荷载	LC1、LC2、LC3、LC4	/	10	/

表 2
荷载工况	应用的荷载
LC1	结构自重
LC2	自重
LC3	活荷载
LC4	土层自重

正如在引言中所强调的，至关重要的是定义后续施工阶段，准确反映施工过程和荷载，同时真实反映地基的行为。表 1 和 2 可以按照为初始施工阶段（CS1 开始）概述的工作流程和表 1 和 2 进行定义。这里对所有施工阶段采用几何线性方法进行分析，非线性采用 Newton-Raphson 方法进行分析。下表列出了对其他分析设置的调整，例如荷载增量步的数目。

定义施工阶段后，下一步是在计算之前调整生成荷载组合的设置。这可以在组合向导中针对相关设计状况完成。在这里您可以配置分析设置并启用考虑初始状态的选项，然后分配定义的施工阶段，如图 7 所示。该方法可确保在每个施工阶段生成荷载组合时，考虑了前一个施工阶段的初始状态，从而提供了施工阶段之间的无缝和准确过渡。

7 编辑荷载组合

现在您已经拥有了开始计算和分析结果所需的所有必要信息。例如，您可以查看每个施工阶段的位移，以及与 CS9 完整阶段相对应的最终位移，该阶段结构为完全建造并施加了所有荷载。此外，您可以选择结果显示为一个阶段或上一个阶段的荷载增量内的差值（图 8）。可以观察到由于特定结构构件的施工或荷载作用引起的变形。例如在图 8 中可以看到由基础构件施工引起的沉降。

8 基础构件施工引起的变形

概述总结

将施工阶段纳入岩土工程有限元分析，对于确保结构的安全性、稳定性和耐久性至关重要。通过对施工全过程进行模拟，工程师可以准确评估地基性质，优化设计并积极应对。随着项目规模和复杂性的增加，分阶段进行分析变得越来越不可或缺。 RFEM 6 凭借其先进的功能和直观的工具为工程师提供了一个强大的平台来进行详细的阶段分析，从而提高岩土工程的效率和可靠性。