基于比例边界有限元的岩土工程精细化分析方法及应用

发布时间：2020-06-13 23:36

【摘要】：为推动能源清洁低碳化转型,加快实现非石化能源比重的发展目标,我国提出了超前谋划水电等清洁能源的发展布局,并在西南和西北地区规划和开工建设了一批高坝大库,其中高土石坝等土工构筑物约占50%。但由于我国西南和西北地处活跃地震带区、强震频发、对结构潜在破坏力强,一旦强震导致的高坝破坏将产生难以估量的失事后果及次生灾害,严重威胁国民生命财产安全及地区经济发展,使得我国高土石坝等土工结构的抗震安全问题尤为突出。因此,确保工程平稳运营,开展地震安全性能评价研究具有重大的理论和工程意义。精细化可进一步提高分析的合理性和准确性,是国内外数值分析的必然趋势。由于此类构筑物地形条件和结构复杂,且同时考虑结构-无限地基、材料界面相互作用等问题,对精细化分析提出了较高的要求,因此高土石坝等土工构筑物在精细化分析研究方面成果很少。此外,此类工程体量庞大(一般高度超过百米,长和宽超过1公里),同时存在着防渗面板、防渗墙等关键的小尺度部件(最小厚度约0.3m),结构自身尺度相差十分悬殊(可达数百倍至千倍),使得采用传统技术难以高效地建立精细的分析网格。因此,发展能准确描述结构关键核心部件损伤破坏过程的跨尺度网格离散和分析技术,对高土石坝等进行精细化抗震分析研究,具有重要研究意义和工程应用价值。本文结合国家重点研发计划“强震作用下特高土石坝多耦合体系损伤演化机理及安全评价准则研究”,国家自然科学基金“极震荷载下筑坝堆石料变形特性及特高堆石坝极限抗震能力研究”和重要水利水电工程“如美高心墙堆石坝计算研究”、“考虑坝-基-库水体系相互作用的大石峡水利枢纽工程面板坝三维非线性静、动力精细化有限元分析”、“新疆阿尔塔什水利枢纽工程混凝土面板堆石坝专题研究”等。针对大型土工构筑物静-动力分析和抗震安全评价存在的网格精细化、非线性等计算分析问题,基于比例边界有限元(Scaled Boundary Finite Element Method,SBFEM)理论,主要开展了下述工作:(1)采用高效的四分树/八分树离散技术进行结构跨尺度精细网格生成,并开发了单元格式转换等相关配套处理程序,实现了操作简便、低人力成本、易修改的精细化模型生成,解决了以高土石坝为代表的大型复杂岩土工程结构网格精细化、高效离散的问题。(2)引入多边形平均值函数插值多面体边界面单元,通过SBFEM弹性理论推导获得半解析的单元形函数和应变位移矩阵,发展了三维比例边界复杂多面体单元,可求解传统方法难以直接计算的八分树单元,提高了分析方法的灵活性、通用性和鲁棒性,实现了工程结构跨尺度精细化分析。(3)采用边界高斯积分点和常刚度矩阵,构造单元形函数和应变位移矩阵;然后在比例边界单元域内增加积分点求解协调矩阵、刚度矩阵和应力积分等,发展了可用于弹塑性分析的比例边界二维多边形及三维多面体单元,解决了传统SBFEM难以进行非线性分析的问题。(4)联合平均值多边形插值和界面单元理论,构造了空间多边形三维界面单元,解决了传统Goodman单元难以直接求解多面体单元界面的问题,与前述工作共同集成了可考虑无限地基-土体-界面-结构相互作用的全体系跨尺度精细化分析方法。(5)采用面向对象设计方法和单元封装技术,抽象出SBFEM与FEM单元构造的共同属性,统一了两种数值分析方法程序开发接口,在课题组GEODYNA有限元软件平台上集成了新发展的数值算法,实现了基于单元库的SBFEM-FEM无缝耦合计算;根据八分树离散的正方体单元具有几何相似的特点,提出了高效的非线性相似单元加速技术,显著改善了大规模弹塑性精细分析的求解效率。本文发展的跨尺度精细化分析方法己成功应用于如美(世界最高心墙坝,315m)、大石峡(在建最高面板坝,247m)、三澳核电等十余项重大水电、核电工程,并拓展应用于地铁结构的地震损伤破坏评价,具有很好的推广应用前景。 【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV223

【图文】：

分布情况,核电机组,分布情况,地铁

３）大型地下结构逡逑合理开发利用城市地下空间，是优化城市空间结构和管理格局、缓解城市土地资源逡逑紧张的必要措施；对于推动城市由外延扩张式向内涵提升式转变，改善城市环境，建设逡逑宜居城市，提高城市综合承载能力具有重要意义［７］。当今各大城市的地下停车场、地下逡逑商场、地铁系统等为国民的休闲、娱乐、出行等方面带来了极大的便利，是人们必不可逡逑少的城市基础配套设施。本节以地铁为例说明当前地下结构的规划建设情况，从而窥探逡逑地下空间结构开发的巨大前景。逡逑地铁，作为当代城市最为明显而标志的现代建设之一，体现了一座城市的发展程度，逡逑是人们出行不可缺少的交通工具之一。截止２０１８年１０月，我国北上广深等３６座城市逡逑己开通地铁并继续大规模发展（参见图丨．３）；常州等２０座城市正在修建地铁；除此之逡逑外还有４４座城市正在规划修建地铁［７１。上述数据充分说明未来１０年左右，我国地卜＇帘逡逑间的开发力度将持续增加，投资力度亦将创历史新高；各城市地下重大工程的兴建亦在逡逑紧锣密鼓地开展１７］。逡逑

城市分布,城市分布,地铁

１．１．２大型岩土工程精细化分析必要性逡逑我国位于世界两大地震带：环太平洋地震带与欧亚地震带之间，由于受太平洋度板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带十分活跃（参见图１．４）。２０世纪国共发生６级以上地震近８００次，遍布除贵州、浙江两省和香港特别行政区以外省市区，我国地震活动频度高、强度大、震源浅、分布广，是一个名副其实的地极为严重的国家１９】。１９００年以来，，我国死于地震的人数达５５万之多，占全球地人数的５３％；邋１９４９年以来，我国２２个省（自治区、直辖市）遭到１００多次地震

【参考文献】