离散元-边界元动力耦合模型在地下结构动力分析中的应用

利用离散元 边界元耦合模型对溪洛渡工程地下厂房洞室群静、动力响应进行了分析，对离散元模拟地下结构的一些问题进行了探讨，得到了一些结论：离散元模型能够很好地模拟地下洞室群的变形，通过与边界元的耦合，可以模拟辐射阻尼的影响，由于辐射阻尼的影响，地下洞室群的地震响应比地面结构小很多。     

离散元-边界元动力耦合模型

本文提出了一种二维变形体离散元与时域边界元的耦合模型，这一模型可以将非连续体的模拟与无限域的模拟统一在一个模型中，可用于在地震波动输入条件下，考虑辐射阻尼的岩体边坡或地下结构等的动力稳定和变形分析，拓宽了离散元动力分析的领域。算例分析表明本耦合分析模型具有较高的精度。     

地下洞室群面向对象有限元方法的探讨

以单元为代表类简单介绍了地下洞室群面向对象有限元程序。利用自编的面向对象有限元程序实现了开挖模拟,并分析某地下厂房的分步开挖变形问题,其结果与Phase2软件计算结果基本一致;实现了面向对象有限元处理动力响应的人工边界输入问题,验证了其正确性,并对该地下厂房的动力响应规律进行了探讨。结果表明:监测点响应存在一定的滞后性,且峰值的放大系数比无洞室作用下的理论解要大;在此基础上,分析了不同方法下的阻尼系数对地下洞室群动力响应的影响;验证了面向对象有限元方法应用在地下洞室群中的可行性和适用性。研究成果为进一步研究动态弹塑性情况奠定了基础。     

超大型地下洞室群的随机地震响应分析

地下结构的地震响应分析由于结构-围岩的动力相互作用及地震动输入的不确定性而十分复杂，尤其是对空间尺度很大的大型水电站的超大型地下厂房洞室群，地震动输入的空间变化特性将对结构的地震动响应产生重要的影响。本文首先通过阻尼影响-抽取法求出地下结构无限围岩介质的动阻抗，在此基础上通过考虑地震动输入空间变化的随机过程模型，采用随机分析方法研究了地震动输入机制对地下洞室群动力响应的影响。结果表明，地震波的行波效应、空间相干性损失及散射效应是影响地下结构动力响应的关键因素。考虑地震波的行波效应和空间相干性损失可以使地下结构的地震响应降低，但是地震波的散射效应可以增大地下结构的地震响应，结构的动力响应分析必须综合考虑这几项影响。     

室内动力模型试验中辐射阻尼效应的模拟

在评价大型结构的地震响应时，基础的辐射阻尼效应必须以适当的方法计入。本文研究在室内振动台动力模型试验中应用阻尼边界对辐射阻尼效应的模拟方法。通过利用黏滞液体的剪切黏性形成人工边界切向边界阻尼，实际阻尼系数易于调整控制。对于法向边界阻尼的影响，通过对试验模型的数值模拟对比计算进行了论证。结果表明，在仅施加切向边界阻尼的条件下，就能够消耗大部分由边界外传的能量，是可行的模型制作方案，大大降低了试验模型制作难度。     

地下厂房复杂渗流场数值分析及工程应用

以某抽水蓄能电站地下厂房为例,探讨了渗控措施对地下厂房洞室围岩渗流特性的影响。依据裂隙岩体等效-离散耦合模型,结合固定网格虚流量法和排水子结构法,建立了大型地下洞室群的渗流有限元模型;对采用防渗帷幕和排水孔幕等渗控措施的地下洞室群围岩,在不同工作条件下的渗流进行了分析。计算结果表明:渗控措施对洞室群围岩的渗流起到了良好的控制作用。计算结果可为类似工程设计提供理论依据和指导。更多还原     

中东某抽蓄地下厂房洞室群地震动力响应分析

针对中东某抽水蓄能电站地下厂房抗震稳定性问题,以掌握地下厂房洞室群围岩地震动力响应为目标,采用动力时程分析方法,依据当地及欧洲标准,对该地下厂房洞室群地震响应进行三维非线性数值模拟,分析了洞室围岩加速度、位移、塑性区、应力分布特征及支护受力特征。结果表明:在地下厂房洞室群围岩开挖面上,围岩的加速度会表现出明显的放大效应,且结构面上会加剧加速度响应;位移时程响应与输入地震荷载位移时程曲线形态一致,但在幅值和相位上有一定差异;围岩相对变形、残余变形较大的部位与加速度放大系数较大的部位一致,围岩塑性区和应力松弛区增加较为明显的部位与加速度放大系数较大、相对变形和残余变形较大的部位基本一致;在地震作用下,围岩支护结构受力增长较小,锚杆受力超过300 MPa的百分比与围岩变形、塑性区的发展规律一致。研究成果对地下工程围岩抗震稳定性分析和抗震设计具有参考价值。     

大型地下洞室围岩稳定性数值模拟分析

国内外水能资源的开发及大型地下古建筑群的保护往往需要布置地下厂房洞室群,而大型洞室的稳定性研究逐渐成为岩土工程学术界的研究热点。基于此,分别采用有限元软件Midas及离散元软件DEM对两大典型地下洞室的稳定性进行三维数值模拟分析:其一为位于意大利都灵省苏萨谷的Pont Ventoux水力发电站的Venaus洞室;其二为位于以色列的Tel Beer Sheva洞室。计算结果表明,根据围岩性状不同选取不同的计算工具均可较可靠的评价地下洞室的稳定性,且三维模型可更精确的描述洞室几何尺寸及围岩性状。更多还原     

地下洞室群施工时空随机模拟和施工方案优选

本文以循环网络技术为基本技术手段，结合地下洞室群的施工特点和经验，在借鉴过去研究的经验和成果的基础上，深入进行了地下洞室施工时空的随机模拟研究。编制了CSS和CSSCQ程序，该程序较以往更好地反映施工实际，这在运用小湾水电站地下洞室群施工模拟，进行了施工方案优选，并为其施工程序和优化提出了一些良好的建议。     

节理岩体大型地下洞室群开挖支护过程离散元分析

依托大岗山水电站工程的地下洞室群,运用离散元法模拟了不同地质结构组合切割条件下地下洞室开挖支护过程,研究锚杆支护对不同岩体结构变形、应力状态、损伤区影响的改善作用,探讨了节理岩体中锚杆加固机理。结果表明:锚杆加固作用是随着节理相对错动和应力调整逐步发展的;受限于锚杆与结构面这种相互作用机制,锚杆并不能有效改善围岩应力状态;锚杆加固作用主要体现在增强结构面抗剪强度和抗拉强度上,提高了关键块体的安全系数并阻止块体的塌落;通过与监测数据对比表明,离散元锚杆单元模型可反映出工程实践中锚杆对岩体的支护效果。     

等效黏性边界单元及黏性边界波动输入方法

为更好的利用大型通用软件进行结构-地基动力相互作用分析,本文在黏性边界的基础上提出黏性边界单元的概念,通过构造相同阻尼矩阵的方式提出了能够实现黏性边界功效的特殊有限单元-等效黏性边界单元.等效黏性边界单元能够较好的模拟地基的辐射阻尼效应,使黏性边界的实现更加方便.同时,为简化大型通用软件中地震波的输入,提出了适合于黏性边界条件下水平成层地基中垂直入射地震波的输入方法.该方法不需要借助其它辅助计算就可直接在各种大型通用有限元软件中用一个数值模型实现地震波动输入,具有很强的通用性.此输入方法极大的减少了地震波动输入的数据准备工作,降低了操作的复杂程度.数值算例表明,等效黏性边界单元及文中提出的地震波动输入是简单可靠的.     

基于黏弹性人工边界的拱坝动力响应分析

无限地基的辐射阻尼是影响拱坝地震反应的一个重要因素,无限边界的处理方法很多,其中黏弹性人工边界具有较高的计算精度和计算效率、较好的稳定性,同时程序容易实现。基于黏弹性人工边界的基本原理,以Ansys为计算平台,采用声学流体单元fluid30模拟库水,在坝基截断边界添加弹簧-阻尼单元以考虑无限地基的辐射阻尼影响;并以锦屏一级高拱坝在El Centro地震波作用下的动力响应分析为例,对不考虑坝基辐射阻尼与采用黏弹性人工边界两种计算方法的计算结果进行比较。结果表明,采用黏弹性人工边界条件后的动力响应(动水压力、位移、主应力)均有所降低,坝顶拱冠处的应力分布更为合理,动力响应时程滞后;验证了该边界条件的吸能效果。该方法计算效率高、稳定性好,克服了透射边界与有限元相结合的方法存在高频失稳问题的缺陷。     

基于黏弹性人工边界的高拱坝气幕隔震效果

摘要：基于气-液-固三相耦合理论模型,采用动力有限元时程分析的数值仿真方法,对锦屏一级拱坝进行了气幕 隔震效果的三维数值模拟。引入黏弹性人工边界的基本原理,在坝基截断边界添加弹簧-阻尼单元以考虑无限地 基的辐射阻尼影响。数值仿真结果表明：气幕显著降低了上游坝面的动水压力,气幕厚度越大,隔震效果越好。 与无气幕时相比,气幕厚度为1、2和3m时,动水压力分别降低了58.2%、71.5%和81.9%,位移及应力反应也相 应降低。     

基于OpenSees的二维黏弹性边界单元开发及应用

基于有限元开源软件OpenSees开发了二维黏弹性边界单元VS2D2Bar,采用数值算例验证了该二维黏弹性边界单元在程序实现上的正确性,并将其应用于重力坝地震响应分析。重力坝算例分析结果表明:与固定边界无质量地基模型相比,采用黏弹性边界单元分析得到的坝体动力响应峰值大幅度减小,在重力坝的地震响应分析中必须考虑无限地基辐射阻尼效应的影响;OpenSees适用于重力坝地震响应分析,编程开发和调试工作量较小,易于在复杂水工结构的静动力分析研究中推广应用。     

基于无限元边界模型的高拱坝损伤开裂数值分析

基于ABAQUS中的混凝土损伤塑性模型,分别建立了考虑地基辐射阻尼效应的有限元—无限元耦合模型和无质量地基模型,讨论高拱坝在设计地震作用下采用两种地基模型得到的应力、横缝开度、坝顶顺河向位移和损伤开裂情况。结果表明：无质量地基模型与无限元边界模型相比,坝体拱向和梁向应力最大值明显增加,增大了坝体的横缝开度和坝顶顺河向位移,同时坝体的损伤开裂情况更为严重。因无限元边界模型能考虑地基的辐射阻尼效应,能真实地反映坝体的地震响应,而无质量地基模型夸大了坝体的地震响应,故用无质量地基模型进行坝体的抗震分析是过于保守的。     

动水压力波高阶双渐近时域平面透射边界I:理论推导

为了准确模拟地震引起的动水压力波在半无限水库中传播引起的辐射阻尼,基于比例边界有限单元法构造了高阶双渐近时域平面透射边界。首先将描述半无限水库的连续波动方程转化为半离散的比例边界有限单元方程,然后通过特征模态变换将以动力刚度矩阵形式表达的控制方程解耦,获得模态动力刚度的连分式解答,再引入辅助变量将透射边界在频域的动力刚度表达等效为一个高阶矩阵方程,对其施加傅立叶逆变换后即得到时域透射边界条件。频域模态动力刚度的计算结果表明：该双渐近透射边界可以在全频范围内迅速逼近准确解,具有良好的收敛性能。     

工作桥对进水塔整体结构的抗震性能影响研究

地震作用下,进水塔与工作桥、库水、地基的相互作用复杂。通过建立塔身主体结构-启闭机房-工作桥-地基-库水整体有限元模型,基于势流体理论模拟结构与库水的相互作用,采用黏弹性人工边界考虑地基辐射阻尼,研究结构与库水、工作桥和地基的动力相互作用对进水塔整体体系自振特性和地震动力响应的影响。结果表明：在正常蓄水位下,工作桥的存在会使进水塔结构的顺流向位移最大减小25.15%,加速度最大减小14.33%,进水塔关键点最大拉应力降幅可达12.0%以上;考虑地基的辐射阻尼效应时,进水塔结构的动力响应明显减小,其关键点的最大拉应力降幅可达40%以上。相比工作桥,地基辐射阻尼效应对进水塔地震作用下动水压力、加速度、位移和应力响应的影响更加显著。