地下洞室开挖的并行计算

介绍了有限元分析的力学理论,提出开挖释放荷载的计算方法和模拟思路。基于Krylov子空间迭代法和预条件技术,采用基于区域分解思想的粗粒度并行策略开发了地下洞室群开挖模拟的并行有限元程序。最后,用算例说明并行计算的高效性。     

不同支护时机的地下洞室围岩稳定仿真

借助ABAQUS软件的前后处理和计算模块,根据地下洞室开挖释放荷载计算基本原理求得开挖荷载的等效节点力,并以等效节点力不同的施加比例模拟不同的洞室支护时机,对洞室围岩稳定进行了分析比较.结果表明,随着支护时间的延迟,支护应力逐渐变小,围岩塑性区和增量位移逐渐增大.计算结果符合地下工程施工过程的一般规律,表明该方法可行,为通用有限元软件在地下洞室围岩稳定分析中应用开辟了一条新的路径.     

尾水岔洞三维有限元分析

利用三维有限元方法计算分析了乌江渡水电站尾水岔洞围岩在开挖情况下的变形、应力及屈服区,对不同应力释放荷载条件下的喷锚支护效果进行了评价;在此基础上根据施工、运行和检修工况下的荷载作用情况,计算分析了衬砌结构的变形及应力情况,并指出起控制作用的工况.计算分析得出的结论已用于指导工程设计,同时也可供其他同类工程的设计和施工参考.     

既有建筑地下开挖工程中在役桩竖向承载特性分析

如何评价土体开挖条件下在役桩的竖向承载能力,是桩支承的既有建筑地下开挖工程中亟待解决的关键问题,围绕上述问题,明确土体开挖条件下土体应力状态改变、回弹等因素对桩侧和桩端承载特性的影响,建立考虑土体开挖效应影响的桩侧荷载传递双曲线模型和桩端荷载传递双折线模型,考虑开挖卸荷效应引起的土体超固结状态提出土体开挖条件下桩侧极限摩阻力的计算方法,基于有限差分法和荷载传递法形成既有建筑地下开挖条件下在役桩基竖向承载特性的计算方法。通过与现有试验结果比对分析,验证计算方法的合理性。结果表明,对地下增层开挖条件下单桩进行分析时,应考虑开挖引起的土体回弹、桩周土超固结状态等因素对桩侧和桩端承载特性的影响,当计算的归一化土体回弹量较小时(<1),沉降分析中可不考虑回弹效应。     

开挖卸荷岩质坡体的断裂破坏机理

岩质坡体在开挖过程中的失稳破坏已成为道路工程领域日益严重的问题,目前有关卸荷坡体的断裂破坏机理还不清晰。为此,基于自然坡体实际结构特征,并结合岩石力学知识,首先分析了岩体原生裂纹在坡体开挖前后的应力状态。继而,借助断裂力学理论,解析了不同荷载模式下岩体裂纹失稳扩展的力学条件,探讨了求解裂纹扩展方向和规模的计算方法,构建结构面扩展贯通力学模型;最后,通过具体算例验证了模型的合理性。研究表明开挖岩质坡体的失稳是岩体内特定方向的原生裂纹萌生启裂并扩展贯通的结果,其本质是岩体应变能释放耗散与应力的调整过程。     

地下洞室群开挖的三维非线性仿真计算

对桐柏抽水蓄能电站地下洞室群的开挖进行了仿真计算,且在计算中考虑了洞室周围的断层所带来的影响.为真实模拟实际开挖情况,采用了三维非线性分析.在计算中采用ANSYS程序中的死活单元功能模拟开挖过程,解决了用反向加载法计算时,在进入塑性后所引起的矛盾.对于地应力的仿真采用了分区域施加的方法,最大限度地反映了地应力的真实情况.最后通过对围岩的位移、应力和塑性区的分析,对现行设计方案做出了评价.     

隧洞掘进机开挖的围岩-支护系统联合承载数值分析

对隧洞掘进机(TBM)开挖过程围岩-支护的联合承载特性进行了数值分析.首先详细分析了在TBM掘进时,围岩和支护的相互作用过程和各种荷载的属性.然后,提出了TBM施工围岩稳定和支护受力的计算方法,主要考虑了施工作用力、开挖荷载和外水压力荷载.提出了确定TBM施工过程中围岩单独承担开挖荷载比例的计算方法.最后结合某大型供水工程,采用上述方法分析了TBM掘进段II—V类围岩稳定和支护受力特性.计算结果既符合一般规律,也提供了定量评估围岩承载能力的方法,能够充分反应不同岩性下围岩-支护系统的联合承载特性,并从数值分析角度论证了衬砌设计的合理性.     

虚拟场地上杭州地铁隧洞开挖数值模拟对比

通过根据杭州市20 000多个综合钻孔资料,利用MapX组成的计算机虚拟场地,并在其上集成了ABAQUS等成熟的计算机软件.针对盾构施工法的特点,提出了一种简化的平面有限元模拟方法,编制了相应的计算程序.该方法能够模拟盾构施工过程中的开挖.对正在建设的杭州市地铁1#线上任意处,在计算机上点击鼠标后,即进行隧洞、衬砌的应力、应变分析与地面沉降计算.为了验证ABAQUS程序自动计算的准确性,再用ADINA软件建模分情况多次计算,对比ABAQUS程序自动计算所得的结果,并讨论了不同地面附加荷载情况下或不同刚度释放率下的衬砌应力情况以及地面沉降.     

地应力张量特征对地下洞室轴线方位优化的启示

高应力是深埋洞室工程围岩变形和稳定的主控因素,初始地应力对洞室围岩的力学效应主要包括开挖释放荷载和偏应力状态两个方面;地应力与洞室轴线方位的特定组合决定了洞室开挖释放荷载的量值以及围岩应力所承受偏压的程度。为了量化既定地应力分布特征下地下洞室长轴线方位的选择区间,推导了一般条件下开挖洞壁面上的法向应力随洞室长轴线与最大主应力夹角的变化规律,并提出极大值和极小值贡献度两个指标以度量主应力分量对法向应力的贡献。通过研究地应力张量在地下洞室特征平面上的Mohr应力圆特征随洞室轴线方位变化的方式获得了围岩所承受偏压程度的变化规律;同时,通过推导获得了地应力张量在水平面内大主应力方位角的解析公式,从理论上证明了当洞室轴线与地应力张量在水平面内的大主应力平行时,地下洞室开挖释放荷载取最小值。结合锦屏一级地下厂房对上述方法进行了案例分析,研究结果表明,当洞室轴线与地应力张量在水平面上的大主应力平行时,开挖释放荷载取最小值;然而,开挖释放荷载和偏压应力状态同时达到最优是困难的。对地下工程围岩稳定的影响而言,地应力是否有利取决于地应力张量的构成特征;因此,应注重对地应力张量空间特征的全面解析。     

地应力张量特征对地下洞室轴线方位优化的启示

高应力是深埋洞室工程围岩变形和稳定的主控因素,初始地应力对洞室围岩的力学效应主要包括开挖释放荷载和偏应力状态两个方面;地应力与洞室轴线方位的特定组合决定了洞室开挖释放荷载的量值及围岩所承受偏压的程度。为量化既定地应力分布特征下地下洞室长轴线方位的选择区间,推导了一般条件下开挖洞壁面上的法向应力随洞室长轴线与最大主应力夹角的变化规律,并提出极大值和极小值贡献度两个指标,以度量主应力分量对法向应力的贡献。通过研究地应力张量在地下洞室特征平面上的应力椭圆特征随洞室轴线方位变化的方式,获得了围岩所承受偏压程度的变化规律;通过推导获得了地应力张量在水平面内大主应力方位角的解析公式,从理论上证明了当洞室轴线与地应力张量在水平面内的大主应力平行时,地下洞室开挖释放荷载取最小值。结合锦屏一级地下厂房对上述方法进行案例分析,结果表明:当洞室轴线与地应力张量在水平面上的大主应力平行时,开挖释放荷载取最小值;但一般情况下,很难使开挖释放荷载和偏压应力状态同时达到最优。对地下工程围岩稳定的影响而言,地应力是否有利取决于地应力张量的构成特征,因此,应注重对地应力张量空间特征的全面解析。     

路基换填对正下方地铁隧道影响的数值分析

采用平面应变有限元分析方法,结合工程实例,研究深圳地区路基换填对正下方地铁隧道的影响。一方面,通过数值模拟路基换填开挖、回填碾压,分析加、卸载过程隧道沉降及地基竖向应力的变化规律,提出了优化设计和施工方案的方法;另一方面,分析隧道内同步沉降监测数据,验证了数值计算的可靠性。     

混凝土梁内现存应力钻孔释放过程数值模拟

本文采用基于Lagrangian理论的三维线性有限单元方法模拟了预应力混凝土内现存应力的钻孔法释放过程.通过外加载荷应力场模拟现存应力,用应力释放率描述释放规律,用单元生死技术模拟钻孔过程,研究了局部应力状态及应力水平、钻孔直径、钻孔间距等因素对弹性应力释放规律的影响.结果表明:应力释放值依赖于应力初值、钻孔直径和深度;完全释放深度随孔径增大而增大,但与应力初值无关;而用应力释放率和相对钻进深度(h/d)描述的释放曲线不受钻孔直径、释放区域的应力状态和初值变化的影响,具有广泛适用性.最后,通过试验验证了本文计算结果的正确性.     

基于ANSYS地铁出入口幕墙钢结构有限元分析

利用ANSYS软件对框支承玻璃幕墙在受组合载荷作用时进行了结构有限元强度分析。通过对由梁单元和板单元组成的框支承玻璃幕墙进行分析、计算,可以准确地得到各个构件单元的变形及应力大小,从而为改善系统的力学性能提供了理论依据。计算结果表明:在多种建筑载荷的组合作用工况下,本方案中钢结构龙骨的最大的强度应力值和刚度变形值分别为105.758MPa和14.156mm,完全满足幕墙规范的许可值要求。这样经过有限元的仿真在满足了工程安全的同时,更有利于设计过程中的优化下料,进而节省成本,为幕墙公司创造更多的效益。     

LX200摩托车车架有限元分析及强度评价

综合运用CATIA、MSC.PATRAN等软件,结合摩托车车架结构特点和实际承载情况,建立了LX200摩托车车架有限元计算分析模型;通过模型检查,验证了模型的可行性和有效性;在此基础上对车架进行了有限元分析,并根据计算结果对车架进行了强度评价.结果表明,LX200摩托车车架设计较保守,具有较大的轻量化设计空间.     

双层隧道衬砌结构静力分析

针对双层隧道衬砌结构，建立了既考虑围岩与结构的相互作用，又能考虑车辆活荷载作用的结构计算模型，采用自编杆系结构有限元计算软件按弹性地基梁法对双层隧道衬砌结构进行了有限元分析，得到了衬砌结构在围岩及车辆活荷载共同工作下的变形情况，以及其内力分布状况，最终给出了衬砌结构的各个横截面的设计内力道。     

负载下焊接加固受弯工形钢梁的受力特性分析

采用通用有限元软件ANSYS建立有限元模型,对3个不同初始负载下焊接加固的受弯工形钢梁和1个做对比用的未加固工形钢梁的受力特性进行有限元分析,并详细介绍了2种用于模拟负载下焊接加固钢梁受力特性的有限元分析方法。基于目前最常用的、仅采用生死单元技术而未考虑焊接热过程的有限元分析方法,采用间接热一结构耦合分析方法,考虑焊接热过程和随温度变化的钢材材性,提出了能够考虑负载下焊接过程影响的有限元分析方法。通过将有限元计算结果与相应的试验结果进行对比,验证了采用的有限元分析方法和有限元模型的可行性。计算结果表明：负载下焊接加固后的钢梁的极限承栽能力受初始负载的影响较大。     

单箱多室混凝土曲线箱梁剪力滞效应分析

结合弯箱梁桥的特点,采用空间板壳有限元法分析了在对称集中荷载及均布荷载作用下曲率半径、宽跨比等结构参数对连续宽体曲线箱梁桥剪滞效应的影响,与同类研究结果对比发现剪力滞对宽体曲线箱梁的影响更为明显．编制了供设计参考的四跨宽体连续梁桥剪力滞系数计算表,为完善现行桥梁规范中有关连续曲线箱梁剪力滞系数的计算提供了参考依据．     

基于CT图像的混凝土细观结构边缘检测技术

根据CT图像成像的特征以及图像边缘检测的原理,采用Laplacian方法、Canny方法、Roberts方法、Pre-witt方法、Sobel方法等多种方法分别对CT图像进行了边缘检测.从边缘检测的效果来看,采用Laplacian方法、Canny方法在边缘连续性和完整性上要优于Roberts方法、Prewitt方法、Sobel方法.将Canny方法检测到的边缘进行修正,效果较为理想,在此基础上,通过矢量化处理后导入到有限元软件中,得到了混凝土真实细观结构的有限元网格.研究表明,采用这种方法能有效地提升数值混凝土有限元计算模型的真实性,从而使数值计算成果与物理力学试验成果相吻合.     

深基坑开挖过程的动态模拟设计

利用现代计算机仿真技术，采用适当的土与支护结构模型和弹塑性有限元理论，编制了动态模拟深基坑开挖过程的程序，并结合工程实例进行计算分析，对深基坑开挖过程中可能出现的险情进行有效的事先预测，检验现有施工方案的可行性，为工程设计和现场施工提供了理论参考和指导。     

弯曲载荷下碳纳米管力学行为的数值模拟

为研究碳纳米管在弯曲载荷作用下的非线性力学行为,用ABAQUS有限元软件模拟单壁碳纳米管的变形.比较有限元计算结果和分子动力学的计算结果,验证了有限元方法的有效性.利用有限元方法研究了单壁碳纳米管临界弯曲屈曲曲率随直径和长度的变化关系,并与分子动力学的计算结果比对,证实有限元方法模拟纳米尺度问题的可靠性.