竖向承载群桩基础受力变形特征的面向对象有限元分析

论文摘要

桩基础是一种古老的、传统的基础型式之一,桩基技术的迅速发展,推动了桩基理论研究的不断深入,群桩作为桩基的主要型式,一直是国内外研究重点。经过四十多年的研究,人们对桩基的承载和变形机理已经有了比较深入的认识,提出了一系列的计算分析理论和工程设计方法,但相对于桩基础的发展需要而言,群桩研究的深入程度还远远不够。笔者通过对各种模型的分析比较,结合考虑影响基础和地基共同作用的因素,提出了一种比较符合实际情况的有限元分析方法,并且编制了相应的软件。传统有限元分析方法是采用面向过程的思路进行程序编制的。其不仅缺乏统一的输入输出格式、良好的图形前后处理界面,而且在可扩充性和代码可重用性方面也受到许多约束,因此本文引入软件编程中面向对象的思路,编制了针对共同作用的有限元分析程序OOPFE（Object-Oriented programming of finite element）。该程序以开放性、易扩充性、易维护性为目标,并希望能为后续应用于其他方面的有限元程序的开发工作建立一个基本的平台。本文在分析研究国内外有关共同作用理论及其研究现状的基础上,利用有限元法对该问题进行数值分析,建立了平面8节点板单元—空间20节点单元—空间16节点接触面单元相耦合的数值计算模型.其中筏板、桩体均采用线弹性体本构模型,地基土则采用非线性弹性的邓肯—张模型.桩体用三维20节点单元模拟,在桩土之间引入空间曲面16结点接触面单元,筏板用平面8结点单元模拟.再进行地基与基础的共同作用整体有限元分析。本文用面向对象编程工具Visual C++6.0编制了针对共同作用的有限元分析程序OOPFE（Object-Oriented programming of finite element ）。利用大型有限元分析软件ANSYS的前处理程序快速形成供计算程序使用的数据文件,用VC++语言编制相应的后处理程序。在程序设计中,利用面向对象的方法,结合Visual C++6.0编程工具,将共同作用有限元的核心概念抽象识别成节点类、单元类、荷载类、矩阵类等。利用上述程序作为基本工具,计算分析竖向荷载作用下群桩的桩土变形,侧摩阻力,承台土反力以及破坏模式等特性,并对分析结果进行比较.实例研究表明,本文自编的有限元程序是切实可行的,其运算结果与实测数据基本吻合。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 有限元程序设计方法
• 1.2.1 面向过程的程序设计方法
• 1.2.2 面向对象的程序设计方法
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文研究目的和研究内容
• 1.4.1 本文的研究目的
• 1.4.2 本文的研究内容
• 2 数值分析方法
• 2.1 引言
• 2.2 有限元在岩土工程中的应用
• 2.3 有限单元的程序编制依据
• 2.4.1 坐标变换和位移函数
• 2.4.2 应变和应力计算
• 2.4.3 单元刚度矩阵
• 3 接触面单元
• 3.1 接触面单元的引入
• 3.2 空间曲面16 节点接触面单元的特性分析
• 3.2.1 几何变换和运动变换
• 3.2.2 应力公式和刚度矩阵
• 3.3 接触面单元计算参数的确定
• 3.4 耦合数值模型
• 4 计算模型及程序说明
• 4.1 线性弹性模型
• 4.2 邓肯—张非线性E—μ计算模型
• 4.3 程序说明
• 4.3.1 中点刚度增量法
• 4.3.2 程序说明
• 5 面向对象有限元程序设计
• 5.1 面向对象程序设计OOPFE 的基本思想
• 5.1.1 面向对象程序设计的有关概念
• 5.1.2 面向对象程序设计的基本思想
• 5.2 面向对象程序设计的要点
• 5.2.1 抽象数据类型
• 5.2.2 消息传递机制
• 5.2.3 继承
• 5.3 VC++编程平台
• 5.3.1 VC++编辑器
• 5.3.2 MFC 类库
• 5.4 OOPFE 程序中的类
• 5.4.1 有限元整体类
• 5.4.2 抽象材料类
• 5.4.3 结点类
• 5.4.4 平面8 结点等参单元类
• 5.4.5 空间二十结点等参单元类
• 5.4.6 接触面单元类
• 5.4.7 荷载类及荷载组类
• 5.4.8 矩阵类
• 5.5 程序的前后处理
• 5.5.1 原始数据的生成
• 5.5.2 三维图形的投影
• 5.5.3 有限单元图绘制
• 5.5.4 有限单元变形图绘制
• 5.5.5 板单元内力图绘制
• 5.6 程序的执行
• 5.6.1 参数输入
• 5.6.2 加载计算
• 5.7 程序与AutoCAD 接口
• 5.8 本章小结
• 6 群桩数值计算分析
• 6.1 算例1
• 6.1.1 算例说明
• 6.1.2 计算模型网格划分
• 6.1.3 计算结果分析
• 6.2 算例2
• 6.2.1 算例说明及网格划分
• 6.2.2 群桩计算结果分析
• 7 结论与建议
• 7.1 主要结论
• 7.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录