基于非线性弹簧的自适应刚度可调变形调节器模拟

2016年 11 月2 日 2016 SIMULIA 中国区用户大会 上海 基金项目 国家自然科学基金 50678083 1 基于非线性弹簧单元的基于非线性弹簧单元的 自适应刚度可调变形调节器模拟自适应刚度可调变形调节器模拟 濮仕坤濮仕坤 1 周峰 周峰 2 李二兵 李二兵 1 1 解放军理工大学国防工程学院 南京市海福巷 1 号 210007 2 南京工业大学交通学院 南京市中山北路 200 号 210009 摘摘 要 要 利用 abaqus 非线性弹簧单元 模拟自适应刚度可调变形调节器 建立简化的桩基有限元模型 提出自适应变形调 节器的调节策略 通过对比两代变形调节器工作时建筑物和基础的受力变形 说明主动式刚度可调变形调节器实现的可能性 合理性 为主动式非线性调节器的投入使用 建筑物楼宇差异沉降的智能化控制 提出了一定的依据 关键词 关键词 桩土共同作用 差异沉降 变形调节器 非线性弹簧 作者简介 作者简介 濮仕坤 1982 男 江苏南京人 讲师 主要从事地下工程施工技术研究 E mail kurtbush Simulation of Adaptive Stiffness Adjustable Deformation Regulator Based on Nonlinear Spring Element PU shi kun1 Zhou feng2 LI er bing1 Address Postalcode 六号 Abstract A simplified three dimensional finite element model of pile foundation is established and an adaptive stiffness adjustable deformation regulator is simulated by abaqus nonlinear spring element The adjustment strategy of adaptive deformation regulator is proposed By comparing the deformation of buildings and foundations during the work of two generations of deformation regulators the possibility and rationality of the realization of active stiffness adjustable strain adjusters are illustrated The use of active nonlinear regulators the difference of building buildings Settlement of the intelligent control put forward some basis Key words Pile soil interaction differential settlement deformation regulator nonlinear spring 1 绪论 如今 大底盘高层建筑的筏板动辄数米之巨 1 2 高塔下基础的荷载一般达到 500 600kPa 由多年 的共同作用理论研究可知 3 4 只有对地基与桩基构成的支承体的支承刚度进行可控 合理的调整 才是 差异沉降控制设计最有效的方法 目前国内外有不少学者对控制建筑物的差异沉降以及地基基础的设计优 化等问题开展一些研究 5 11 然而在土质较差地区可以通过桩基的向下刺入来考虑地基土的承载力 这方 面的研究成果较丰富 12 14 但是在某些土质较好的地区 当天然地基承载力不能满足上部结构荷载的需 要 但又相差不多时 改用桩基后 由于桩端有较好的持力层 桩基无法向下刺入 基底下良好的持力层 也无法得到利用 浪费巨大 宰金珉 周峰 15 2006 研制的第一代自适应变形调节器 可根据荷载自动调节自身变形 其经济 社 会效益都非常显著 周峰 宰金珉 濮仕坤 16 研制的第二代自适应刚度可调变形调节器具有调节范围大 支承刚度人为设定等特点 性能稳定 本文拟采用大型通用有限元软件 ABAQUS 中非线性弹簧单元模拟 两代自适应调节器的工作性状 为主动式非线性调节器桩筏基础的初步设计给以参考 2 非线性弹簧单元和主动式桩顶变形调节器 17 ABAQUS 的 INTERACTION 功能模块定义了产生相互作用的弹簧 Spring 单元 弹簧单元主要用来模 拟实际的物理弹簧及理想轴向或扭转弹簧 在实际运用中 弹簧单元也可以约束或阻止物体在某一方向上 的部分运动 对于本文来说 安装于筏板和桩基之间的自适应刚度可调变形调节器的性状完全可以由 2016 SIMULIA 中国区用户大会 2 ABAQUS 中线性和非线性弹簧的模拟而实现 弹簧单元的主要功能有 1 耦合力和位移 2 在 ABAQUS Standard 中可以耦合弯矩与相对位移 3 可以模拟线性和非线性性状的弹簧 4 如果弹簧是线性的 它隶属于稳定状态直接解分析中的频率 以 及温度和场变量 主动式调节器实施调节的基本原理是 首先计算出调节器在等刚度下产生的最大和最小变形值 然后 将最大变形差作为调节器需要调节的量 下文将第 1 2 两根桩顶调节器进行主动式调节进行分析 图 1 是桩顶调节器的调节变化过程 其中 P2 是按初始支承刚度计算下调节器 4 所受到的荷载 S2 是 最大沉降处调节器所发生的变形 一般发生在筏板中心处 S3 是调节器在初始支承刚度下所发生的变形 P1 0 5P2 S1 是初始支承刚度下调节器受 P1 时所产生的变形 因此 当调节器受到的荷载小于 P1 时 调 节器仍然按照初始支承刚度刚度进行工作 而当其荷载大于 P1 后 通过射流作用 调节器开始工作 将 容器中的颗粒抽吸至容器外 容器体积改变 导致竖向位移的变化 在其所受荷载达到 P2 时 将其位移 调节至 S2 即与最大变形一致 换句话说 当 P P1 时 调节器的刚度为 K1 当 P1 P P2 时 调节器的 刚度为 K2 这样 经自适应调节 沉降最小处的位移和最大处可趋于一致 在 ABAQUS 中 刚度 K1 和 刚度 K2 可以分别用图 1 中线性和非线性段来表示 pile 1 pile 2 pile 3 pile 4 A adjusttor A 1A 2A 3A 4 plate Layer 1 Layer 2 Pressure 100Kpa 图图 1 自适应刚度可调原理自适应刚度可调原理 图图 2 模型剖面图模型剖面图 Fig1 The principle of Active adjustable rigidity Fig2 The profile of the model 3 模型描述 本算例采用平面有限元法 将安装调节器筏板的受力特性进行分析 土体本构模型采用扩展线性 Drucker Prager 模型 桩土间的剪应力和剪切位移采用罚函数的形式 分别用线性和非线性弹簧单元模拟 被主动式变形调节器以及桩土之间的工作性状 图 2 为调节器作用下端承桩复合桩基筏板差异沉降的分析模型 如图所示 桩径 0 6m 桩长 15m 桩 距为 3 倍桩径 筏板厚 1m 板长 12m 桩间土厚度为 15m 下卧层深度 5m 为了能输出弯矩 筏板采用 梁单元 土层采用平面单元 桩土间摩擦罚函数值为 0 3 边界条件 底部竖向约束 两侧横向约束 弹 簧单元竖向初始刚度 40kN mm 横向初始刚度 1 1014kN mm 即相当于横向没有变形 筏板施加均布荷 载 100kPa 材料的本构模型 桩身为线弹性体 地基土为弹塑性材料 假定服从扩展线性 Drucker Prager 模型 模型参数见表 1 本算例采用 Linear 和 Nonlinear Spring2 单元考虑不同位置线性弹簧的不同刚度以及非线 性弹簧的非线性刚度 分析二者对于端承桩复合桩基条件下桩土共同作用的影响 表表 1 材料参数材料参数 Tab1 material parameter 材料 模型 C kpa 弹模 Mpa 泊松比 0 c Kpa 桩 线弹性 29200 0 15 板 线弹性 29200 0 15 土层 1 弹塑性 37 15 20 0 3 29 2 96 土层 2 线弹性 1000 0 25 2016 SIMULIA 中国区用户大会 3 4 结果分析 4 1 被动式调节器使用效果被动式调节器使用效果模拟模拟 图 3 为被动式调节器刚度位 40kN mm 时 筏板沿长度方向的沉降分布 可以看出 在调节器作用下 桩距最大沉降量为 0 038m 最小沉降量为 0 03m 差异沉降为 0 008m 图图 3 模型整体竖向位移模型整体竖向位移 Fig3 The vertical displacement of the whole model 024681012 0 038 0 037 0 036 0 035 0 034 0 033 0 032 0 031 0 030 S m L m 图图 4 筏板沉降 云图筏板沉降 云图 放大倍数放大倍数 200 和曲线和曲线 Fig4 The settlement of the raft contour map scale factor 200 and curve 图 5 是筏板弯矩变化曲线 从图上看出 由于差异沉降的存在 跨中最大弯矩和边角最小弯矩相差约 1000kN m 可见由于差异沉降带来的弯矩是非常巨大的 024681012 1000000 800000 600000 400000 200000 0 M N m L m 16 14 12 10 8 6 4 2 0 2 4800000 4400000 4000000 3600000 3200000 2800000 F N S m 被动式调节下桩的轴力 1 被动式调节下桩的轴力 2 被动式调节下桩的轴力 3 被动式调节下桩的轴力 4 图图 5 筏板弯矩筏板弯矩 图图 6 桩桩 1 4 轴力轴力 Fig5 The moment of the raft Fig6 The axial load of the pile1 4 图 7 是调节器 1 4 的变形变化 从图上看出 由于从差异沉降的存在 使得各调节器之间的变形有所 2016 SIMULIA 中国区用户大会 4 不同 其中 1 号调节器和 2 号调节器的位移量小于 3 号和 4 号 1 和 4 号调节器变形差值约 0 008m 与筏 板的差异沉降量大致相同 图 8 是调节器的刚度 从图上可以看出 虽然调节器之间的位移不同 但各个 调节器的刚度均为 40kN mm 1 01 21 41 61 82 0 0 020 0 018 0 016 0 014 0 012 0 010 0 008 0 006 0 004 0 002 0 000 0 002 S m Time S adjutor 1 adjutor 2 adjutor 3 adjutor 4 0 020 0 018 0 016 0 014 0 012 0 010 0 008 0 006 0 004 0 002 0 000 0 002 0 200000 400000 600000 800000 F N S m The rigidity of adjustor 1 The rigidity of adjustor 2 The rigidity of adjustor 3 The rigidity of adjustor 4 图图7 调节器的变形调节器的变形 图图8 调节器的刚度调节器的刚度 Fig7 The deformation of the adjustor Fig8 The rigidity of the adjustor 从上面的分析可以看出 保证地基土承载力充分发挥的同时 仍然做到零差异沉降控制 可以通过分 别设置自适应变形调节器的刚度 以及通过调整主动式自适应刚度可调变形调节器来实现 4 2 主动式调节器使用效果模拟主动式调节器使用效果模拟 图 9 是经主动式调节之后的调节器变形图 从图上可以看出 通过调节 第 1 2 号调节器的变形明 显大于 3 4 号调节器 最终变形量 1 号达到 0 026m 2 号达到 0 020m 而从图 10 可以看出 4 个调节器刚 度的变化状况 1 2 号调节器已呈现明显的非线性 而 3 4 两个调节器的刚度仍然保持原来的水平 1 601 651 701 751 801 851 901 952 002 05 0 028 0 026 0 024 0 022 0 020 0 018 0 016 0 014 0 012 0 010 S m Time S Deformation of the Active adjustor 1 Deformation of the Active adjustor 2 Deformation of the Active adjustor 3 Deformation of the Active adjustor 4 0 028 0 026 0 024 0 022 0 020 0 018 0 016 0 014 0 012 0 010 400000 500000 600000 700000 F N S m The Active adjustor 1 The Active adjustor 2 The Passive adjustor 3 The Passive adjustor 4 图图 9 调节器变形调节器变形 图图 10 调节器刚调节器刚度度 Fig9 The deformation of the adjustors Fig10 The rgidity of the adjustors 图11是经自适应调节后筏板的沉降曲线 从图上可以看出 主动式调节后的筏板最大沉降量为0 04m 最小沉降量为 0 38m 差异沉降量为 0 002m 024681012 0 0406 0 0404 0 0402 0 0400 0 0398 0 0396 0 0394 0 0392 0 0390 0 0388 S m L m 图图 11 筏板沉降 云图筏板沉降 云图 放大倍数放大倍数 200 和曲线和曲线 Fig11 The settlement of the raft contour map scale factor 200 and curve 图 12 为自适应调整后筏板的弯矩图 从图上可以看出 弯矩呈现明显的 W 型 最大弯矩为 250kN m 2016 SIMULIA 中国区用户大会 5 024681012 250000 200000 150000 100000 50000 0 M N m L m 16 14 12 10 8 6 4 2 0 2 5200000 4800000 4400000 4000000 3600000 3200000 2800000 2400000 F N F N 主动式调节器轴力 桩 1 主动式调节器轴力 桩 2 主动式调节器轴力 桩 3 主动式调节器轴力 桩 4 图图 12 筏板弯矩筏板弯矩 图图 13 桩桩 1 4 轴力轴力 Fig12 The moment of the raft Fig13 The axial load of the pile1 4 4 3 被主动式调节器比较被主动式调节器比较 图 14 是两种调节器调节后筏板沉降比较 从左图可以看出 在被动式调节器调节作用下 最大沉降 量为 0 038m 最小沉降量为 0 03m 差异沉降量约为 0 008m 而经主动式调节器调节后 最大沉降量为 0 04m 较之前有所增加 但由于自适应刚度调整的作用 1 2 号调节器变形量增加量 致使该点处筏板 沉降量增加至 0 038m 差异沉降减少至 0 002m 被动式调节器作用下 最大弯矩为 1000kN m 而经过自 适应调节后筏板的差异沉降减少为 250kN m 明显小于之前 从这里可以看出 差异沉降量的减少 对于 减少筏板弯矩 有着非常重要的作用 图图 14 筏板差异沉降云图筏板差异沉降云图 放大倍数 放大倍数 200 比较 左 比较 左 被动式被动式 右 右 主动式主动式 Fig14 The compare of the contour map scale factor 200 left linear right nonlinear 024681012 0 041 0 040 0 039 0 038 0 037 0 036 0 035 0 034 0 033 0 032 0 031 0 030 S m L m 被动式调节器筏板沉降 主动式调节器筏板沉降 024681012 1000000 800000 600000 400000 200000 0 M N m L m Passive Adjustment Active Adjustment 图图 15 筏板沉降量比较筏板沉降量比较 图图 16 筏板弯矩比较筏板弯矩比较 Fig15 The compare of the Fig16 The compare of the settlement of the raft moment of the raft 2016 SIMULIA 中国区用户大会 6 图图 17 塑性区开展塑性区开展 左 线性调节 右 非线性调节左 线性调节 右 非线性调节 Fig17 The expansion of the plastic area left the linear adjustment right the nonliear adjustment 图 16 是筏板塑性区开展状态的比较 自适应调节使得塑性区开展明显得到了加强 对比左右两图可 以看出 经自适应调节后塑性区更加集中 1 2 两桩桩间土的塑性区开展明显增强 并且从图 6 和图 13 的对比可以看出 经自适应调节后的桩身荷载 较未经自适应调整的桩身荷载减少了约 25 左右 因此 端承桩复合桩基借助于自适应变形调节装置 可以再桩尖不发生刺入的情况下 充分发挥地基土的承载力 不依赖于地质条件 减少不均匀沉降 对于非软土地区有着很好的应用前景 5 主要结论 1 对于端承型复合桩基 被动式变形调节器可以明显提高桩间土承载力 减少差异沉降 而主动 式变形调节器在其基础上 进一步减少了差异沉降 2 使用主动式自适应刚度可调变形调节器 可以基本实现筏板零差异沉降的目标 在施工过程中 每一个阶段 通过计算 按零差异沉降给出调节器的支承刚度 然后进一步通过调节变形调节器的刚度来 调整支承刚度 这样就有可能实现在施工过程中的每一步做到建筑物的零差异沉降的目标 参考文献 1 龚晓南 陈明中 桩筏基础设计方案优化若干问题 J 土木工程学报 2001 34 4