基于Duncan-Chang模型的地基沉降分层总和 分析方法探讨

地基沉降分析方法是土力学研究的重要内容。该文在地基沉降变形力学机理研究基础上,首先考虑埋深或初始地应力即先期固结应力对地基土变形模量的影响,并将其区分为初始地应力的体积应力和偏应力影响两部分,引进分级加载思想,建立出不同埋深地基土变形模量的确定方法;其次,将地基沉降区分为附加体积应力和附加偏应力引起的沉降两部分,建立出地基沉降分析计算模型;然后,考虑地基变形的非线性变化特征,引进增量分析方法、虎克定律和Duncan-Chang模型,建立出附加体积应力和附加偏应力引起的地基压缩层变形的分析方法,并利用地基沉降分层总和法分析原理,建立出基于Duncan-Chang模型的地基沉降分析新方法。该方法不仅可以反映初始地应力和附加应力对地基土变形模量的影响,而且,可避免地基土压缩试验曲线和地基静载试验曲线的使用;最后,通过工程实例计算与分析,并与实测沉降值和现有分析方法的计算结果进行比较,表明了该方法可以满足工程计算精度要求,具有一定的合理性与可行性。     

考虑岩石非线性和粘弹性的洞室围岩稳定和变形分析

本文对非线性和粘弹性岩体内地下洞室围岩作了稳定和变形分析。作为数学模型,采用了与鲍格斯(Burgers)蠕变模型相结合的非线性应力应变关系。在计算中,应用了以伽辽金(Galerkin)加权余量法原理为基础的有限单元法,取用四边形等参数单元。计算过程中考虑了洞室分期开挖施工的顺序,并用所谓的应力迁移法对产生的单元超余剪应力和拉应力作了处理.     

锈蚀箱梁极限强度试验中板变形量的分析

根据垂直弯曲荷载下3个锈蚀箱梁板的压应力试验结果,分析初始和倒塌后的板变形量。研究初始缺陷和腐蚀对倒塌后最终变形的影响,得出不同的荷载响应、初始缺陷和板高厚比之间的关系。分析初始缺陷、板高厚比和倒塌后最终变形,建立高厚比准则以计算倒塌后变形。     

三维有限元分析隧道开挖收敛损失与纵剖面 变形曲线关系研究

采用实验室研发的三维有限元程序,运用隧道收敛-约束法的分析模式,针对岩体弹性参数、初始应力与隧道径向位移等影响因素,探讨有支撑与无支撑情况下的隧道开挖收敛损失与纵剖面变形曲线关系.采用纵剖面变形曲线的研究结果,并与三维有限元数值计算结果相比较,探讨收敛损失的影响.由隧道收敛-约束法理论分析结果与三维有限元数值计算结果可知:(1) 确立隧道开挖收敛损失与纵剖面变形曲线的关系;(2) 隧道纵剖面变形曲线的归一化处理方式,可消除岩体参数、初始应力和隧道收敛的位置等因素影响;(3) 在弹性条件下,隧道开挖面产生的前期位移量约为最终位移量的25%～36%;(4) 由二维纵剖面变形曲线的分布,可计算并获得隧道开挖收敛损失值、了解隧道开挖工作面效应的三维影响,进而能计算分析岩体结构的应力与位移等变化量.     

混凝土框架连续性倒塌的3维离散元数值模拟

目前对建筑物连续性倒塌的研究,多集中在有限元方法的改进,由于建筑物倒塌是一种非线性问题,因此一般有限元计算很难收敛。所以有限元法根本无法模拟结构倒塌的全过程。基于离散元原理的颗粒流数值模拟理论,借助离散元软件,编制了计算模型和分析程序,对混凝土框架的开裂、失效、退出工作、局部倒塌一直到整体倒塌,进行了全过程数值模拟。分析结果表明只要合理建模,离散元计算速度快,收敛效果好,能比较真实地反映结构连续性倒塌的过程。     

采用三维有限元模型的高耸结构连续倒塌分析

利用通用有限元软件ABAQUS,建立一栋20层建筑的三维有限元模型,并进行连续倒塌分析。用壳单元和梁单元模拟整体结构,考虑材料非线性和几何非线性。详细说明了建模过程,计算结果与试验数据很吻合。利用此模型,详细评估不同结构不同柱突然失效时的性能。此模型准确反映了柱突然失效时结构的整体性能,为连续倒塌研究提供了辅助设计指导。     

利用梁柱大变形理论对充气拱结构进行简化计算

充气构件结构是膜结构的一种,其计算十分复杂。为此,介绍一种利用梁柱大变形理论进行充气结构计算的较为简化的方法。由于充气拱结构属于高压体系,在初始内压下,薄膜内的初始应力较高(相对于低压体系),其变形基本上属于整体变形。因此,可以将充气拱分为若干段杆件,并根据梁柱大变形理论分析充气拱结构在荷载作用下的特性。     

条形基础下地基非线性沉降的改进计算方法

 针对地基土体孔隙压缩性导致其变形力学参数变化的特征,对条形基础下地基的非线性沉降计算方法进行改进。首先,通过深入探讨附加应力和应力历史对地基土体模量影响的力学机制,分别建立地基土体变形力学参数随附加应力和应力历史变化的分析模型;然后,利用地基沉降计算的传统分层总和法,考虑地基沉降计算的非线性特征,并引入分级加载的思想,提出条形基础非线性沉降的新型计算方法,该方法不仅反映地基土体变形力学参数随附加荷载变化的特征,也反映地基土体由于初始应力水平或应力历史不同而引起的土体模量不同对地基沉降计算的影响,而且可有效地避免地基沉降计算中压缩试验曲线的使用;最后,通过工程实例计算与分析,并与实测沉降值和其他方法计算结果进行比较,表明方法的合理性与可行性。     

充气梁的有限元分析

采用包括Timoshenko动力学、有限转动和小应变的虚功原理定义充气梁弯曲和屈曲的离散非线性计算公式。随后推导出预应力参考构型的线性计算公式,从而得出新的充气梁有限元分析方法。刚度矩阵包括剪切系数和内压力。采用三节点梁单元建模分析悬臂梁的弯曲和屈曲、带箍环面的变形以及承受放射状压力的环面屈曲。采用这种梁元计算的结果与采用三维膜单元有限元计算结果很相近。结合充气梁的冲撞力或者蠕变压力概念,讨论了数值计算结果的有效性。     

考虑侧向变形的软土地基非线性沉降计算的简化法

软土地基侧向变形占总沉降的比例大,通常的计算方法采用有侧限的一维压缩状态下的压缩模量应用于分层总和法来计算,这样的方法不能反应侧向变形对总沉降的影响,而规范方法则在该方法计算结果的基础上乘以1.1~1.7的经验系数,以修正计算误差。但经验系数的选取具有较大的人为性。为此,在广义胡克定律的基础上推导出可考虑侧向变形的计算方法,把软土地基沉降分为有侧限的压缩沉降S_c和侧向变形产生的沉降S_d两部分,前者采用传统的e–p曲线分层总和法计算,后者采用基于e–p曲线和邓肯–张(Duncan–Chang)本构模型的概念求取非线性割线模量E_p应用于分层总和法计算,这样就可以由e–p曲线进行考虑软土侧向变形的非线性沉降计算。另外,鉴于工程中初始孔隙比e_0和压缩模量Es1-2(压力为100 kPa和200 kPa对应的压缩模量)是常用的参数,相对稳定且可较好反映软土的特性,建立了由e_0和E_(s1-2)求e–p曲线和e–lgp曲线的方法,从而可以求出不同应力水平下的压缩模量Esi,由Esi进行S_c和S_d的计算,实现可由初始孔隙比e_0和压缩模量E_(s1-2)进行考虑软土侧向变形的非线性沉降计算,为工程计算带来极大的方便。最后通过案例说明方法的可行性。     

基于有限质点法的结构倒塌破坏研究Ⅱ:关键问题与数值算例

采用有限质点法求解结构倒塌破坏的关键问题，包括结构动力反应、几何非线性和材料非线性分析以及构件断裂。采用虚拟运动分离单元的刚体运动和纯变形，用以模拟结构的几何非线性行为；根据不同的本构模型计算质点内力，求解材料非线性问题；为模拟构件的断裂，建立了杆单元和梁单元的断裂准则，提出了断裂发生后的结构计算方法；综合考虑各关键问题，给出结构倒塌过程模拟的分析流程。通过对一个空间刚架的几何非线性、材料非线性和断裂行为的模拟和分析，验证了有限质点法在结构复杂行为计算中的正确性；最后对某悬挑网架结构在台风作用下的倒塌破坏过程进行研究，并将分析结果与现场破坏情况进行对比和分析。研究表明，该方法适用于结构的倒塌破坏研究，可以对倒塌全过程进行模拟，计算结果能够揭示结构的倒塌破坏机理。     

拱形气肋充气阶段力学性能分析与试验

首先从理论方面对气肋在充气阶段的应力进行了分析,找出简单易行的计算方法,列出应力表达式和气肋外边、中线、内侧的膜张力公式.然后分别利用有限元软件ANSYS和索膜结构设计分析软件Easy对半圆形气肋充气后气肋应力及拱顶位移进行了分析计算.制作了一个跨度12m、气肋直径0.6m的模型.进行了充气试验,并将拱顶位移计算值与试验值进行了对比.结果表明,充气后膜材应力理论值与两种软件计算值差别不大.最大误差为9.8%,拱顶高度两种软件计算结果与试验结果差别较小,最大误差为1.7%,理论计算与试验值吻合较好.     

古建筑木结构多尺度建模方法及抗震性能分析

在保证计算精度前提下,为降低抗震性能计算的有限元分析费用,采用通用有限元软件ANSYS建立了古代木结构非线性有限元模型。深入探讨了利用多尺度建模方法解决古代木结构抗震计算问题。为实现宏观结构模型和局部微观模型界面的变形协调,采用了多点约束法,将榫卯节点域作为关键区域用实体单元进行精细尺度建模,对梁柱构件非关键区域则采用梁单元进行建模。基于木框架和直榫节点拟静力试验数据,对比了多尺度模型和实体单元模型在破坏模态和滞回曲线的异同点,验证了该界面连接方法的有效性。基于多尺度建模方法,选取某在役期内的古代木结构边跨框架进行弹塑性动力时程分析,并比较了实体单元模型和多尺度模型的地震响应及计算效率。结果表明:多尺度有限元模型能很好地模拟古代木结构的边界条件以及整体结构的动力响应,同时还可大幅提高计算效率,能够在计算精度和计算效率之间寻找到一个平衡点,为古代木结构抗震分析提供有力的技术支持。     

混凝土组合剪力墙结构建筑倒塌过程的模拟与防倒塌设计

分析对混凝土组合剪力墙结构性能的数值模拟方法,基于离散单元法提出结构倒塌分析的理论模型。针对混凝土组合剪力墙内的局部破坏作用,在分析构件反应的基础上采用离散单元法对结构平面倒塌过程进行了数值模拟通过试验研究了混凝土块体间碰撞的力学行为,并结合扩展的数值分析建立混凝土块体在碰撞形式下的计算模型。分析地震作用下混凝土组合剪力墙框架结构及砌体结构空间倒塌过程。通过图形建模技术,实现混凝土组合剪力墙结构倒塌过程数值模拟。模拟结果与振动台模型试验结果及工程实测结果比较表明,所采用的离散单元法适合混凝土组合剪力墙结构大变形阶段的分析。同时对不同荷载及作用下建筑结构抗倒塌设计方法进行了总结,并指出混凝土组合剪力墙结构参数对抗连续倒塌性能的影响及实用的防连续倒塌设计方法。     

钢框架平面内高等分析方法的应用

基于改进塑性铰法,讨论了构件的计算单元,二阶效应,截面的塑性扩展、构件残余应力、初始几何缺陷等各种非线性因素的处理方法,采用改进塑性铰法可以保证结构较高的计算精度,比较真实地反映结构在荷载作用下的内力和变形状态,可用于工程分析和设计。     

建筑结构倒塌过程模拟与防倒塌设计

针对结构性能的数值模拟方法进行了综合分析,基于离散单元法提出了结构倒塌分析的理论模型。通过试验研究了混凝土块体间碰撞的力学行为,并结合扩展的数值分析建立了混凝土块体在不同碰撞形式下的计算模型。针对建筑物内的局部爆炸作用,在分析构件反应的基础上采用离散单元法对结构平面及空间倒塌过程进行了数值模拟。建立了适用于任意加载路径的材料弹簧力-位移本构关系,据此分析了地震作用下钢筋混凝土框架结构以及砌体结构空间倒塌过程。采用基于OpenGL的图形建模技术,实现了结构倒塌过程数值模拟结果的三维可视化。模拟结果与振动台模型试验结果及工程实测结果比较表明,所采用的离散单元法适合结构大变形阶段的分析。为提高计算效率和精度,有必要采用多尺度的模拟分析。另外,对不同荷载及作用下建筑结构抗倒塌设计方法进行了总结。并指出结构参数对抗连续倒塌性能的影响、结构倒塌机理、实用的防连续倒塌设计方法以及地震作用下结构防倒塌定量设计方法等方面尚待深入研究,以便建立相应的防倒塌设计规范。图15参21     

混凝土箱梁结构力学特性分析与安全评价研究

为全面了解预应力箱梁结构的非线性力学性能,基于大型非线性有限元软件MSC.MARC,建立预应力箱梁三维非线性有限元模型,混凝土采用六面体单元,钢筋采用truss杆单元,预应力通过钢筋单元的初始应力输入施加.模拟分析了预应力箱梁在集中荷载作用下的结构力学特性,并通过试验对计算结果进行验证,通过计算与试验结果对既有结构的安全性进行评价.     

边坡稳定的非线性有限元可靠度分析方法研究

在分析和评价现有的边坡稳定性分析方法的基础上,综合岩土力学、弹塑性力学、非线性有限元方法、概率论与数理统计、可靠度数学及计算机科学等多学科知识,研究了边坡稳定非线性有限元可靠度分析的有关方法,推导了相关公式,并编制了相应的计算程序,进行了均质土坡及非均质土坡的可靠度分析.主要研究成果与结论如下:(1) 提出基于强度折减的边坡稳定有限元可靠度分析方法.此方法无需对各有限单元求单元的可靠指标,能一次性得出边坡的整体可靠指标;不需对定值法有限元分析程序作修改,无论是线性有限元问题还是非线性有限元问题都适用,因而方便易用、适用性广.(2) 基于增量初应力法及偏微分技术,研究了基于滑面应力分析的非线性有限元可靠度分析方法中边坡整体可靠指标及其对应滑面位置的求解方法,探讨了有限元分析中功能函数形式对计算结果的影响.在这种方法中,功能函数的形式对滑面可靠指标的影响很大,计算中应采用考虑滑面方向的函数形式作为功能函数,它能更好地反映滑面方向对边坡可靠指标的影响,物理概念明确.(3) 分析比较了上述两种方法的异同点:基于强度折减的有限元可靠度分析方法编程简单,可调用现有的定值法程序,但计算速度较慢;基于滑面应力分析的有限元可靠度分析方法编程复杂,需对现有的定值法分析程序进行较大修改,但计算速度较快,并且能得到边坡整体可靠指标对应的滑面位置;两种方法本质相同.(4) 针对当前响应面法中的一些不足之处,提出了一种改进的响应面法.其主要的计算分二步:一是用验算点法求解可靠指标及验算点的位置,二是在此验算点处进行响应面的拟合,并对此响应面函数用常规的可靠度分析方法求解相应的可靠指标.该方法在计算精度及效率上比常用的基于响应面迭代的响应面法有所提高.(5) 研究边坡有限元可靠度分析中的敏感性计算方法,推导基本变量相关时在原始空间中求解可靠指标对参数敏感性的计算公式,提出进行参数的相对敏感性分析方法及公式.基本变量相关时在原始空间中求解可靠指标对参数敏感性的优点是无需求解转换矩阵,计算更加简单直接;对参数进行相对敏感性分析能剔除变量的单位对计算结果的干扰,敏感性分析的结果更具有可比性.(6) 研究结果既考虑边坡的弹塑性材料非线性又考虑其大变形几何非线性:在小变形情况下,弹性模量对边坡的安全系数及可靠指标影响很小,在边坡稳定性分析时可以忽略其影响.但是当考虑土体中发生的大变形现象时,弹性模量对边坡安全系数及可靠指标影响很大,不能忽略不计.(7) 为提高非线性有限元程序的收敛性,基于常规有限元计算中的Aitken加速收敛算法,研究了基于增量切线刚度法的随机有限元分析中相应的加速收敛方法,推导了其计算公式.与不采用加速收敛算法的随机有限元相比较,此方法明显提高了有限元计算的收敛速度,提高了计算效率.(8) 研究了有限步长迭代法在边坡稳定有限元可靠度分析中的应用,分析了初始步长及步长控制系数对一阶可靠度分析中可靠指标迭代过程的影响,这种方法克服了常规验算点法中可能出现的可靠指标迭代不收敛的问题.     

基于接触摩擦单元的面板坝子模型分析

考虑高面板堆石坝实际的施工特点和面板分期浇筑特点,提出采用子模型法分析面板的应力变形,而面板与挤压边墙之间的特殊边界采用基于莫尔–库仑准则的无厚度接触摩擦单元进行模拟。子模型法把面板、挤压边墙以及面板周边的混凝土趾板从面板堆石坝的整体模型中脱离出来作为研究对象,在挤压边墙的底部施加与其相连的已知垫层料位移,在面板的表面施加水压力,进行数值分析。应用子模型分析面板的应力变形最大的优点就是可以充分考虑面板浇筑前的削坡和补坡等施工程序,以真实反映面板浇筑前的初始变形条件。由于子模型的单元网格规模相对较小,因而混凝土面板可以采用精细的单元网格以真实模拟面板沿厚度方向的应力梯度分布,面板也可以采用复杂的非线性本构模型和开裂破坏准则以及考虑施工期瞬态温度荷载对面板应力的影响。同时,对面板的竖缝和周边缝也可进行详细模拟。工程数值算例结果表明基于接触摩擦单元的子模型法计算面板应力变形的可行性和实用性。     

深部花岗岩CSIRO地应力测量中高压双轴加卸载试验及非线弹性分析模型

为了消除深部岩体非线性特性对CSIRO方法地应力测量误差,通过室内三轴压缩试验等手段,提出一种平均应力与体积模量和剪切模量之间的非线性双曲线模型,模型参数具有明确的物理意义,且线性只是非线性关系中特例。在进行高压双轴加卸载试验时,研发了一套高压双轴加载试验装置以模拟解除岩芯的高压环境。将非线性双曲线模型用于CSIRO解除岩芯的平均应力与应变之间的非线性关系特征方程中,与传统线性方法处理数据进行了误差对比,所提出的非线性方法具有更高的精度。加入参数k1消除环氧树脂胶对计算带来的误差,且k1对体积模量和剪切模量不敏感,可以用分段线性拟合的方法确定。