ANSYS分析深基坑钢结构内支撑的稳定性

摘要:近年来钢结构支撑体系在基坑工程中被广泛采用。本文主要讲述格构式钢结构内支撑体系的ANSYS整体稳定性分析，然后与工程中常用的设计计算软件STS所得的结果进行比较，得到用该软件设计基坑支撑是经济、安全的结论。

关键词: 基坑支护；钢结构支撑体系；ANSYS分析；STS计算结果；比较

Abstract: in recent years steel structure in foundation pit engineering support system is widely used. This paper mainly described the steel lattice structure in the whole stability of the support system ANSYS analysis, then, and in general engineering design calculation software STS income comparing the result, get use the software design foundation pit support is economic, safe conclusion.

Keywords: foundation pit supporting; Steel structure to support system; ANSYS analysis; STS calculation results; comparison

中图分类号：TV551.4文献标识码：A 文章编号：

引 言

近年来，城市里高层建筑的迅速兴起和市政工程的大量建设，这些大规模的工程建设都涉及到深基坑的支护，在支护结构中钢结构支撑体系被广泛采用[1]。本文主要对格构式钢结构内支撑进行ANSYS整体稳定性分析, 然后与工程中常用的设计计算软件STS所得的结果进行比较分析。图1为杭州某一深基坑工程格构式钢结构内支撑对撑计算模型，图2为对撑构件截面图，采用连续梁法[2]进行简化计算得到维护结构对对撑两端的轴力设计值为N=4208KN，对撑自重引起弯矩设计值：，，剪力设计值：

图1 对撑计算模型

图2 构件截面图

ANSYS结构屈曲分析

屈曲分析是一种用于确定结构开始变得不稳定时的临界载荷和屈曲模态形状的技术。ANSYS的屈曲分析有两种：特征值屈曲分析和非线性屈曲分析[3]。

1.1特征值屈曲分析

特征值屈曲分析用于预测一个理想弹性结构的理论屈曲，相当于教科书中的弹性屈曲分析方法。由于初始缺陷和非线性使得很多实际结构的屈曲行为不是在弹性屈曲强度处发生，所以特征值屈曲分析的结构偏于不安全，一般不用于实际的工程分析中。

ANSYS线性屈曲分析特征值公式为：

（1）

其中，表示刚度矩阵；表示应力刚度矩阵；表示位移特征矢量；表示特征值。特征值表示给定载荷的比例因子，如果给定载荷是单位载荷，则特征值即表示屈曲载荷。特征矢量是屈曲形状。一般只对第一个特征值和特征矢量感兴趣。

特征值屈曲分析的特点是计算速度快，在进行非线性屈曲分析之前可以利用其先了解屈曲形状，预测屈曲载荷的上限。分析步骤如下：

(1)建立模型。只允许线，所有的非线性性质都将被忽略。

(2)静力求解。一般只需要施加一个单位载荷，乘以由屈曲分析得到的特征值，即可得到屈曲载荷，必须激活预应力影响。(ANSYS的最大特征值是1000000)

(3)屈曲求解。指定分析类型(Eigen Bucking) 指定特征值提取方式

指定特征值提取数目 指定载荷步选项 保存数据库备份文件 求解。

(4)扩展模态。重新进入求解器激活扩展过程及其选项定义载荷步

选项展开过程计算。

(5)查看结果。

采用特征值屈曲分析方法对对撑进行分析时，模型用Beam188梁单元，建模各单元属性见表1，边界条件见表2，荷载只需输入单位载荷，按上面讲到的步骤操作，模态提取数

对撑各单元属性

构件类型 单元类型 截面定义 泊松比() 密度()kg/mm3 弹性模量(E)N/mm2

Φ180x10 Beam188 Section1 0.3 7.8e-6 2.06e5

Φ68x3.0 Beam188 Section2 0.3 7.8e-6 2.06e5

表1

建模边界条件

对撑约束部位 约束情况

右端 Ux，Uy，Uz，Rotz

左端 Ux，Uy

表2

选择3，经ANSYS分析得到第一、二、三各阶模态的比例因子分别为0.58757E07，0.58869E07，0.13692E+08。由于前面施加的载荷为单位载荷，所以取第一阶模态的比例因子作为模型的屈曲临界载荷，即5875700N。各阶屈曲模态形状见图3，图4，图5。由图可知第一、第二阶模态的临界载荷相差不大，屈曲时为一个波形，而第三阶模态的临界载荷与前两阶相差很大，屈曲发生时为两个波形。

1.2非线性屈曲分析

非线性屈曲[3]分析是在大变形影响开关打开的情况下所作的一种静力分析，该方法用一种逐渐增加载荷的非线性静力分析技术来求解使得结构开始变得不稳定的临界载荷。此种分析较为精确，可用于工程实际中。

(1)载荷增量的施加。非线性屈曲分析最为重要的是用一个好的载荷增量使载荷达到预期的临界屈曲载荷，打开自动时间步长功能有助于控制载荷的增量，此时程序将自动寻找屈曲载荷。

(2)初始缺陷(扰动)的施加。特征屈曲载荷是预期的屈曲载荷的上限，可以作为非线性屈曲分析的给定载荷，在渐进加载达到此载荷前，非线性求解应该是发散的；特征矢量屈曲形状可以作为施加初始缺陷和扰动载荷的根据。

(3)弧长法。采用弧长法时一般施加比预期的屈曲载荷(如特征屈曲载荷)高出10%~20%的给定载荷，一般采用两个载荷步：第一步打开自动步长，使用一般的非线性屈曲过程，直到接近临界载荷；第二步使用弧长法使分析通过临界载荷。一般不指定time值。使用较低的平衡迭代数(10~15)。有些弧长法需要施加初始几何缺陷。

采用载荷增量的施加方法对Beam188单元建立的模型进行非线性屈曲分析,得当载荷加至5795KN时，Φ180x10最大压应力309.979 N/mm2(Mpa)，Y轴负方向的节点最大位移为30.215mm，Z轴正方向的节点最大位移为39.523 mm，应此5795KN即为临界载荷，ANSYS分析结果见图6。

图6非线性分析

STS计算结果

跨度30m、两端铰接、考虑其本身自重的该种类型对撑经STS软件计算得临界载荷为Ncr1=4670 KN。

结果比较及结论

STS软件计算得Ncr1=4670 KN，用特征值屈曲分析得临界载荷Ncr2=5876KN，用载荷增量的施加方法对Beam188梁单元建立的模型进行非线性屈曲分析得临界载荷Ncr3=5744 KN，经比较可得以下结论：

(1) 特征值屈曲分析所得的值最大，仅适用于计算一个理想弹性结构的理论屈曲载荷。

(2) 非线性屈曲分析所得的值次子，求得的值是使结构开始变得不稳定时的临界载荷。

(3) STS软件计算所得的结果最小，实际轴心压杆与理想轴心压杆有很大的区别[4]。实际轴心压杆都带有多种初始缺陷，如杆件的初弯曲、初扭曲、荷载作用的初偏心、制作引起的残余应力，材料的不均匀等等。这些初始缺陷使轴心压杆在受力一开始就会出现弯曲变形，压杆的失稳成为极值型失稳。而STS软件计算时考虑了以上这些不利因素，因此其值是最小的，用于实际工程中是安全的。

参考文献:

[1]高大钊. 岩土工程的回顾与前瞻[J]. 岩土工程学报，2001

[2]陆培毅，刘畅，顾晓鲁. 深基坑支护结构支撑系统简化空间分析方法的研究[J]. 岩土工程学报, 2002. 24(4)

[3]郝文化等主编.ANSYS 土木工程应用实例[M]，北京. 中国水利水电出版社, 2005.1

[4]沈祖炎，陈扬骥，陈以一编著. 钢结构基本原理[M]. 北京: 中国建筑工业出版社，2000.8

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。