有限元特辑II 初始地应力平衡
新建市政道路下穿高速铁路安全性评估
新建市政道路下穿高速铁路安全性评估摘要：利用岩土、隧道结构专用有限元分析软件MIDAS/GTS NX对新建市政道路下穿高速铁路进行安全评估。
依据某新建市政道路下穿高速铁路交叉工程建立有限元模型，分析新建市政道路的施对高速铁路桥墩基础的影响,得出安全性评价结论。
关键词：高速铁路；有限元分析软件；安全评估引言在地基上进行地层开挖填埋或钻孔施工会引起相邻已建建筑物较大的附加沉降及不均匀沉降、土体水平位移等一系列岩土工程问题。
其中，高铁桥墩承台基础周边基坑边坡开挖、大面积堆载和其它荷载（如下穿交通荷载）对高铁结构安全的影响特别突出，存在严重影响高铁结构安全的风险。
因此，对这类工程需要合理分析预判，有必要在后续施工前开展安全评价，慎重考虑设计及施工影响，以减小对周围环境及建筑的影响，确保高铁施工、营运的安全。
桥梁安全性评估内容较多,这里主要研究的是道路施工引起桥梁墩台附加位移及内力,根据《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》（TB 10182-2017）规定，选取评估标准如下：（1）横向、纵桥向水平附加位移和竖向附加位移的容许值均为2mm。
（2）轨道静态高低容许偏差管理值为4mm/10m；轨道动态高低容许偏差管理值为4mm/10m。
1 工程概况1.1公铁交叉情况郭亮路与常益长高铁相交处铁路里程分别为：动走右线DYDK0+571.375、正线DK155+739.395、动走左线DZDK0+571.230，道路里程桩号为K0+225.951、K0+238.952、K0+249.365。
道路从动走右线2#~4#桥墩之间32m简支T梁、常益长正线11#~13#桥墩之间32m简支梁、动走左线2#~4#桥墩之间32m简支T梁下穿通过。
设计路面标高距离桥梁底最小净空约为10m。
道路走向与铁路正交。
1.2交叉处高速铁路桥梁情况道路从常益长动走右线2#~4#桥墩之间32m简支T梁、常益长正线11#~13#桥墩之间32m简支箱梁、常益长动走左线2#~4#桥墩之间32m简支T梁下穿通过。
地应力平衡总结
地应力平衡1、地应力平衡好坏评判标准1)地应力平衡后，位移云图中最大位移达到10-6量级或更低（接近于0）。
（主要判别条件）2)地应力平衡后，应力云图中应力有一定的数值。
（也就是应力不为0，但变形接近于0）2、进行地应力平衡的原因总的来说，如果不进行地应力平衡，而只施加重力，模型会在重力作用下产生变形，而实际工程中，我们施加荷载时，重力产生的而变形已经产生，实际上得到的是附加应力产生的变形。
1)我们所建立的几何模型一般和工程实际情况或尺寸相对应、相一致，比如边坡几何模型和实际边坡尺寸一致，但我们可以夸张一点想像，实际边坡应是由一个更大一点或更高一点的不受重力的初始边坡在n年前突然受重力和类似目前的边界条件作用下逐渐形成了今天的尺寸大小，n年前受重力和类似目前的边界条件作用之前边坡的尺寸大小，我们不得而知，如果能准确知晓，我们就可以建立一个那时的几何模型，再施加重力和边界条件进行计算，变形后形状和现状边坡形状一致，其内力也就是初始应力场或地应力，就不用专门去施加地应力了，但问题是我们不能知晓边坡受力前的形状尺寸，我们现在的几何模型就是边坡现在的实际尺寸，受力后将会变成一个更小的或与现状不一致的边坡，这不符合我们模拟现状边坡的目的。
如果我们知道现状边坡的内力，将其提取出来作为几何模型的内力，再和外力（重力）平衡，则我们建立的模型才能算和实际模型一致。
真实地知道现状边坡的内力是很难的，我们采取的办法是，用我们所建立的几何模型施加和实际模型一致的重力和边界条件进行计算，得到变形后或变得更小或与现状边坡不完全一致的边坡内力近似的作为现状边坡的内力，并重新将其施加于与现状边坡一致的几何模型，再施加重力（当然边界条件也应基本一致）以平衡，这样才算建立了与现状模型基本一致的模型，其下的计算才成为可能。
这就是所谓“地应力平衡”的含义、目的、作用。
2)地应力平衡中的外力和内力的问题。
地应力平衡中，显然，重力是外力，应力场是内力，仅有外力重力，没有内力是不可能的，同样，仅有内力（专指初始应力场）而不受重力也是不可能的，否则，整个体系的力不会平衡。
abaqus初始地应力法
ABAQUS有限元软件有五种初始地应力平衡方法，包括自动平衡法、关键字定义初始地应力法（或在界面操作）、ODB导入法、初始应力提取法以及用户子程序SIGNI法。
其中，自动平衡法适用于土体采用线弹性、屈曲分析且比较规则的情况。
如果采用本构模型，用此方法可能难以收敛。
具体操作步骤包括建模、赋属性、装配，然后在Step模块添加地应力分析步，并将增量改为自动。
在Load模块中，重力必须放在地应力分析步。
如果是海底土，则需要在土的上方施加静水压力；若为上方有大重物的隧道，则需施加物体作用在隧道上的压力。
关键字定义初始地应力法是在建立好网格模型之后，分别测量出硬土和软土区域最高点和最低点坐标，并通过自重应力公式分别计算出坐标对应的土体自重应力值。
随后，输入土壤水平方向上的静止侧压力系数来完成语言的编写。
地应力平衡方法介绍
6.19 Enhancements to the geostatic procedureProducts: Abaqus/Standard Abaqus/CAEBenefits: The geostatic procedure for obtaining the initial equilibrium state has been enhanced so that you no longer have to specify initial stresses that are close to the equilibrium state to obtain a solution corresponding to the original configuration.Description: The geostatic procedure is normally used as the first step of a geotechnical analysis; in such cases gravity loads (and possibly other types of loads) are applied during this step. Ideally, the loads and initial stresses should exactly equilibrate and produce zero deformations. However, in previous releases of Abaqus the geostatic procedure did not enforce this condition. In complex problems it may be difficult to specify initial stresses and loads that equilibrate exactly. Consequently, the displacements corresponding to the equilibrium solution might be large unless a special procedure is used to enforce small displacements.The enhanced geostatic procedure allows you to obtain equilibrium in cases when the initial stress state is unknown or is known only approximately. Abaqus automatically computes the equilibrium corresponding to the initial loads and the initial configuration, allowing only small displacements within user-specified tolerances. The procedure is available with continuum and cohesive elements with pore pressure degrees of freedom and the corresponding stress/displacement elements. The elastic, porous elastic, Cam-clay plasticity, and Mohr-Culomb plasticity material models are supported. Although the list of supported materials includes materials that exhibit inelastic behavior, the procedure is intended to be used in analyses in which the material response is primarily elastic; that is, inelastic deformations are small.The new enhancements are available from the Incrementation tabbed page when you create or edit a geostatic step in Abaqus/CAE. You must select automatic incrementation to access the new controls. The default settings for increment size and maximum displacement change are shown in Figure 6–6.Figure 6–6 The Incrementation options for a geostatic step.Abaqus/CAE Usage:Step module:Create Step: General: Geostatic; IncrementationReferences:Abaqus Analysis User's Manual∙“Geostatic stress state,” Section 6.8.2Abaqus/CAE User's Manual∙“Configuring a geostatic stress field procedure” in “Configuring general analysis procedures,” Section 14.11.1Abaqus Keywords Reference Manual∙*GEOSTATICAbaqus Verification Manual∙“*GEOSTATIC, UTOL,” Section 5.1.9ABAQUS 地应力平衡2011-03-30 14:42:12关于地应力的平衡方法,综合了版上的一些意见,结合了自己的想法,对于初始地应力的施加,得到了e-6的效果,方法比较简单,与大家分享!1.先施加重力荷载的作用,可以在cae中实现;2.在inp文件中的output request中写上*el prints,这样就会将施加重力荷载后的应力输出到*.dat文件中了;3.在*.dat文件中,将单元应力的序号及单元的应力拷出,例如ELEMENT T FOOT- S11 S22 S33 S12 NOTE1 1 -1.2598E+05 -1434. -3.1852E+04 892.72 1 -1.2249E+05 -6287. -3.2194E+04 1223.3 1 -1.1795E+05 -497.7 -2.9611E+04 1664.4 1 -1.1210E+05 -7240. -2.9834E+04 1992.5 1 -1.0485E+05 579.0 -2.6068E+04 2600.6 1 -9.5803E+04 -8272. -2.6019E+04 3031.7 1 -8.4709E+04 1915.-2.0698E+04 4083.8 1 -7.0634E+04 -9746. -2.0095E+04 4339.9 1 -5.1088E+04 5401.-1.1422E+04 8519.10 1 -2.4353E+04 -1.1150E+04 -8876. 1.2126E+0411 1 -1.2847E+05 268.1 -3.2050E+04 738.112 1 -1.2786E+05 -9868. -3.4433E+04 629.113 1 -1.2938E+05 -4224. -3.3402E+04 502.514 1 -1.3039E+05 -3458. -3.3461E+04 165.9 单独存为一个*.dat文件,4.用excel打开该文件,将其中的1所在的列去掉,在每个单元号前面加上其instance. ,即单元编号变为: instance名称.序号 ;注意不同的instance和part要都按照其所在的单元从小到大编号,而不是按照他们在整体单元编号来编号!5.接下来就在excel把该文件另存为*.csv格式的文件(即带有逗号分隔符的格式),6.最后在inp文件的step之前写上*initial conditions,type=stress,input=文件名.csv即可!这种方法不需要用python,比较简单,希望能对大家有用!先说为什么要施加地应力：1、我们所建立的几何模型一般和工程实际情况或尺寸相对应、相一致，比如边坡几何模型和实际边坡尺寸一致，但我们可以夸张一点想像，实际边坡应是由一个更大一点或更高一点的不受重力的初始边坡在n年前突然受重力和类似目前的边界条件作用下逐渐形成了今天的尺寸大小，n年前受重力和类似目前的边界条件作用之前边坡的尺寸大小，我们不得而知，如果能准确知晓，我们就可以建立一个那时的几何模型，再施加重力和边界条件进行计算，变形后形状和现状边坡形状一致，其内力也就是初始应力场或地应力，就不用专门去施加地应力了，但问题是我们不能知晓边坡受力前的形状尺寸，我们现在的几何模型就是边坡现在的实际尺寸，受力后将会变成一个更小的或与现状不一致的边坡，这不符合我们模拟现状边坡的目的。
有限元分析中的应力
你真的了解有限元分析中的“应力”吗原创2016-07-09 Feaforall虽然在有限元分析中我们常常会用到软件后处理程序得出的应力值（stress ），但其实应力有很多值得我们研究的地方。
如果我们把作用于物体的力产生的各处应力汇总起来，那么应力也就像流体分析CFD 中的速度或者压力一样形成应力场“流过”物体，我们抓取感兴趣的地方来进行强度的评估。
然而，由于应力状态变化复杂，并不好在3D 单元中进行可视化，所以我们更需要根据软件已有的功能来探究应力的意义。
1. 几乎所有的有限元分析结果中，默认的应力结果是冯米斯应力（Von Mises ），冯米斯应力是一个标量结果，并没有力的方向性指示。
学过材料力学的应该知道还有一种应力是主应力（principle stress ），主应力是矢量，某些情况下也是非常有用的，那么他们之间有什么区别？2. 物理内部的受力在不同部位都不一样，我们怎样尽可能多的去研究内部力场的不同特性并且通过软件可视化出来呢？下面我们将探究上面的两个问题。
什么是应力？首先我们先说说什么是应力。
众所周知，应力（stress ）是单位面积上作用的力（forces ）。
我们并不好感知或者测量应力，但力（force ）是实实在在的，我们可以很好的感知和测量。
物质总是由原子构成的，从原子的维度看，原子之间相吸或者相斥。
物体在没有受力的状态下，原子处于自然状态，所有的力互相平衡，如果物体受到外部力的作用，原子就会偏离平衡位置去寻找新的平衡位置来平衡外部力。
如下图所示，相同长度L 上分别有两排 5 对的原子和两排 6 对的原子，如果假设原子之间的吸引力相同，那么单位长度上 6 对原子的应力要比5 对的大，扩展到宏观的3D 情形同样适用。
力和应力单元微积分学科的发展可以使我们通过数学运用无限（无限大或者无限小）的原理来处理很多实际问题，宏观物体的受力是微观单元的叠加。
在材料力学中，我们把一个无限小的立方体（cube ）单元来描述某一点的受力情况。
浅谈初始地应力在ABAQUS中的施加
浅谈初始地应力在ABAQUS中的应用李雪（西南交通大学土木工程学院，成都610031）摘要：根据自己对有限元ABAQUS的一些理解以及具体运用，总结出初始地应力在ABAQUS软件中施加的两种具体方法，并结合具体实例给与说明，为ABAQUS在土木工程建模中定义初始地应力写出了两种具体方法，以供参考。
关键词：ABAQUS 初始地应力应用The Application of The Initial ground stress in ABAQUSLI Xue(South West Jiao Tong University, Civil Engineering Department, Chengdu 610031)Abstract: In this paper, two methods to apply the initial ground stress in FEM software of ABAQUS are introduced during the period of my studying ABAQUS. Some example is given to prove the accurate of the methods in civil engineering. Some understandings are given in the paper and the experience is worthy to the referenced in the similar case.Key words: ABAQUS the initial ground stress apply引言在模拟基坑开挖、隧道开挖、铁路设计中的工后沉降、桩土复合地基、挡土墙等土木工程问题中，都需要平衡初始地应力。
定义初始地应力时需要满足下面两个条件：（1）平衡条件：由应力场形成的等效节点荷载要和外荷载相平衡，如果平衡条件得不到满足，将不能得到一个位移为零的初始状态，此时所对应的应力场也不再是所施加的初始应力场。
初始地应力平衡方法
初始地应力平衡方法当模型并不是水平地面或地基成层分布时，用Initial conditions, type = stress, geostatic方法难以奏效，这里介绍一种可适用于复杂地形下的初始地应力平衡法。
1 CAE中建立仅有重力作用的模型，在提交Job前，输入Python命令产生没有Part信息的Input文件mdb.models['模型名字'].setValues(noPartsInputFile=ON)2 提交Job，求解完成后，进入CAE后处理部分1) Report——Report Field Output——下拉菜单中选择Centriod——勾选上S11、S22、S33、S12、S13和S23；2) Setup页面选择拟生成报告文件的名字***.CSV，其下方Write栏里仅选择Field Output。
3 用软件UltraEdit打开***.CSV文件进行编辑1) 删除CSV文件中不必要的内容，仅保留以下内容；单元号S11 S22 S33 S12 S13 S231 -29.3229E+03 -54.4569E+03 -29.3229E+03 23.1405E-12 339.116E-15 -53.1765E-122 -29.3229E+03 -54.4569E+03 -29.3229E+03 -14.2653E-12 -2.41752E-12 -39.8307E-12……n -29.3229E+03 -54.4569E+03 -29.3229E+03 -42.7399E-12 -4.38639E-12 -3.0521E-122) 利用UltraEdit的“列模式”，在各列中进行“插入/填充列”操作，添加逗号，并删除文件第一行和末尾的空行，保存文件。
1 , -29.3229E+03 , -54.4569E+03 , -29.3229E+03 , 23.1405E-12 , 339.116E-15 , -53.1765E-122 , -29.3229E+03 , -54.4569E+03 , -29.3229E+03 , -14.2653E-12 , -2.41752E-12 , -39.8307E-12……n , -29.3229E+03 , -54.4569E+03 , -29.3229E+03 , -42.7399E-12 , -4.38639E-12 , -3.0521E-12Tips:1) CSV文件中所保存的内容只有数字；2) 这里选用UltraEdit而不是Excel处理CSV文件是因为：Excel有行数限制，当n>65536时，将不能载入全部文件内容。
abaqus水平地应力平衡初始应力提取法
文章标题：深入探讨abaqus水平地应力平衡初始应力提取法1. 引言在工程领域中，abaqus是一个常用的有限元分析软件，它在模拟各种结构和材料的行为方面具有很高的应用价值。
而在abaqus中，水平地应力平衡初始应力提取法是一个重要的应用技术，它能够帮助工程师们快速而准确地分析结构的初始应力状态。
本文将深入探讨abaqus水平地应力平衡初始应力提取法的原理、方法和应用。
2. 原理及方法2.1 水平地应力平衡的基本原理在结构分析中，水平地应力平衡是指结构在受力状态下，各个部位承受的应力达到平衡状态。
而提取水平地应力的初始应力则是通过abaqus软件中的相应功能来实现的。
2.2 初始应力提取法的步骤- 步骤一：建立结构模型- 步骤二：定义材料、边界条件和加载- 步骤三：进行初始应力分析- 步骤四：提取水平地应力数据3. 应用实例分析3.1 结构模型的建立以某桥梁结构为例，建立相应的有限元模型，在abaqus中进行加载和边界条件的定义。
3.2 初始应力分析结果通过abaqus进行初始应力分析，得到结构在不同部位的初始应力情况，并提取水平地应力数据。
3.3 结果分析与验证对提取的水平地应力数据进行分析，与理论计算结果进行对比验证，从而得出结构初始应力状态的准确评估。
4. 个人观点与总结通过深入学习和实践的经验，我对abaqus水平地应力平衡初始应力提取法有了更加深刻的理解。
这一方法能够帮助工程师们准确把握结构的初始应力状态，为后续的结构分析和设计提供重要参考。
在实际工程应用中，我们需要不断地学习和探索，以便更好地运用这一技术方法。
在本文中，我们对abaqus水平地应力平衡初始应力提取法进行了深入的探讨，介绍了其基本原理和方法，并通过应用实例进行了详细的分析和验证。
结合个人的观点和总结，希望能够为读者提供有益的参考和启发。
5. 水平地应力平衡初始应力提取法的优势水平地应力平衡初始应力提取法在结构分析中具有很多优势。
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有限元特辑II初始地应力平衡
技术邻作者：闷油瓶
文章所包含相关领域及技术点：应力平衡、abaqus、有限元Motivation
在ABAQUS中，提供了5种定应力平衡方法，分别是
1.(AUTOBALANCE)自动平衡法;
2.*INITIAL CONDITIONS，TYPE=STRESS，GEOSTATIC;
3.*INITIAL CONDITIONS，TYPE=STRESS，FILE=file，INC=i nc;
4.*INITIAL CONDITIONS，TYPE=STRESS，INPUT=XX．DAT;
5.*INITIAL CONDITIONS，TYPE=STRESS，GEOSTATIC，USER。
以上5种方法并不是每一种适用于所有的岩土模型，方法从易到难。
方法①的自动平衡法，它省去了自重应力以及生成相应初应力文件和导入的麻烦。
在(GEOSTATIC)地应力中选择自动增量步就能使用自动地应力平衡功能，还能指定允许的位移变化容限。
不过自动地应力平衡支持有限的几种材料如弹性，塑性等，而其起单元也有一定的要求。
方法②为关键字定义初始地应力法，这种方法需要给出不同材料区域的最高和最低点的自重应力及其相应坐标。
所采用的几何模型一般较
规则，表面水平，能够通过考虑水平两个方向的侧压力系数值来施加初始应力场。
关键字定义初始地应力法只适合土体表面水平的土体，而初始地应力提取法由于外插的应力有一定的误差，因此对于材料是弹塑性的复杂土体，应力转移要通过大量的迭代才能完成，而其有可能出现不收敛的情况，平衡效果可能不是很理想。
方法③是ODB导入法，这种方法可使用之前算过的ODB文件结果，也就是说提前计算一个初始应力ODB文件，定义初始应力时直接指定ODB文件即可。
方法④初始应力提取法，首先将已知边界条件施加到模型上进行计算，然后是将计算得到的每个单元的应力外插到形心点出，导出S1 1，S22，S33，S12，S13，S23六个应力分量。
这种方法是最为通用的方法，可以实用于不同材料，不规则的地形，适用性强。
方法⑤是采用用户子程序SIGINI来定义初始应力场，可以定义其为应力分量为坐标、单元号、积分点号等变量的函数，要达到精确平衡需已知具体边界条件，在实际中应用较少。
N小问
I.为何要施加初始地应力？
II.什么工况下，施加初始地应力？
III.什么时间点施加地应力？
IV.施加过程中及之后需要的注意事项？
......
I.为何要施加初始地应力？
地应力是存在于地壳中未受工程扰动的天然应力,也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。
广义上也指地球体内的应力。
它包括由地热、重力、地球自转速度变化及其他因素产生的应力。
我们所建立的几何模型一般和工程实际情况或尺寸相对应、相一致，比如边坡几何模型和实际边坡尺寸一致，但我们可以夸张一点想像，实际边坡应是由一个更大一点或更高一点的不受重力的初始边坡在n年前突然受重力和类似目前的边界条件作用下逐渐形成了今天的尺寸大小，n年前受重力和类似目前的边界条件作用之前边坡的尺寸大小，我们不得而知，如果能准确知晓，我们就可以建立一个那时的几何模型，再施加重力和边界条件进行计算，变形后形状和现状边坡形状一致，其内力也就是初始应力场或地应力，就不用专门去施加地应力了，但问题是我们不能知晓边坡受力前的形状尺寸，我们现在的几何模型就是边坡现在的实际尺寸，受力后将会变成一个更小的或与现状不一致的边坡，这不符合我们模拟现状边坡的目的。
如果我们知道现状边坡的内力，将其提取出来作为几何模型的内力，再和外力（重力）平衡，则我们建立的模型才能算和实际模型一致。
真实地知道现状边坡的内力是很难的，我们采取的办法是，用我们所建立的几何模型施加和实际模型一致的重力和边界条件进行计算，得到变形后或变得更小或与现状边坡不完全一致的边坡内力近似的作为现状边坡的内力，并重新将其施加于与现状边坡一致的几何模型，再施加重力（当然边界条件
也应基本一致）以平衡，这样才算建立了与现状模型基本一致的模型，其下的计算才成为可能。
这就是所谓“地应力平衡”。
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