针对砂土应变软化强非线性问题的动态松弛有限元法研究

对于密实砂土峰值后应变软化特性引起的材料强非线性问题,利用常规有限元所采用的隐式算法很难求解,而动态松弛法在求解这类非线性问题方面却具有独特的优势。针对砂土应变软化强非线性问题,将动态松弛法与有限单元法相结合,提出了一种新的动态松弛有限元法。该方法根据动态松弛法的显式特性,由中心差分法导出了动态松弛有限元法的基本控制方程,并实现了对应力-应变空间中整个平衡路径的追踪。将动态松弛法嵌入到非线性有限元程序中,即可对砂土材料应变软化引起的强非线性问题进行有限元数值计算。该有限元程序中,应力更新采用回归映射算法。最后通过对砂土平面应变压缩试验进行有限元模拟,验证了动态松弛有限元法在求解材料强非线性问题方面的优越性。     

Nonlinear Stability Analysis of Long-Span Continuous Rigid Frame Bridge with Thin-Wall High Piers

By utilizing the current finite element program ANSYS, two types of finite element models (FEM), the beam model (BM) and shell model (SM), are established for the nonlinear stability analysis of a practical rigid frame bridge-Longtanhe Great Bridge. In these analyses, geometrical and material nonlinearities are simultaneously taken into account. For geometrical nonlinearity, updated LagrangJan formulations are adopted to derive the tangent stiffness matrix. In order to simulate the nonlinear behavior of the plastic hinge of the piers, the multi-lines spring element COMBIN39 is used in the SM while the bilinear rotational spring element COMBIN40 is employed in the BM. Numerical calculations show that satisfying results can be obtained in the stability analysis of the bridge when the double coupling nonlinearity effects are considered. In addition, the conclusion is significant for practical engineering.     

ADINA有限元软件中材料本构的二次开发

美国ADINA R&D公司开发的软件产品ADINA经过20多年的商业开发,目前已成为全球最重要的非线性求解软件,尤其对结构非线性、流-固耦合等复杂问题的求解具有强大优势,被认为是非线性有限元发展方向的先导。然而,任何商业化的有限元软件都不可能满足客户的所有要求,例如,ADINA软件中没有岩土工程领域常用的Duncan-Chang模型。以土工数值分析中广泛应用的Duncan-Chang E-B模型为例,介绍在ADINA软件中进行材料本构二次开发的方法,给出了开发过程,通过对3个常规三轴压缩模型的数值模拟验证程序的可靠性。结果表明,基于ADINA开发的材料本构模型具有计算速度快、精度高和前后处理快捷方便的优点。另外,验证结果也表明该软件具有超强的非线性求解能力和可靠的求解结果。     

基于三维非线性有限元的边坡稳定分析方法

刚体极限平衡法不能反映岩体中实际的应力分布,而基于有限元的强度折减系数法在判断收敛性方面存在一些问题。为了解决这些问题,采用多重网格法,分别建立用于有限元计算的结构网格和用于计算滑面稳定安全系数的滑面网格,可以方便地获得任意滑面或滑块的稳定安全系数,从而将非线性有限元和极限平衡分析结合起来。为了提高计算规模和计算精度,采用有限元并行计算程序TFINE.Pfem进行计算,分析了网格密度对计算结果精度的影响,并应用于锦屏高边坡的稳定分析中。与刚体极限平衡法结果的对比分析表明,由于考虑了计算过程中的非线性应力调整,该方法的计算结果比刚体极限平衡法偏大,而且更符合实际情况。     

强夯加固机理的非线性动态冲击显式有限元数值分析

根据强夯的特点,采用同时考虑几何非线性、材料非线性、状态非线性,并且考虑瞬态大变形的非线性动态显式有限元,分析了强夯对地基土的冲击碰撞过程。该方法克服了以往有限元计算强夯动力问题时需再引入其他的简化假定的已知量,能较实际地反映强夯加固的动力特性。通过对工程实例计算研究,取得了令人满意的效果。     

节理非线性问题的约束函数法

接触非线性主要表现在其接触状态的突变而导致的非光滑性,这种非光滑性可以通过约束函数进行光滑逼近,进而可以用Newton法得到近似解,此方法称之为约束函数法。岩土工程中常用的Goodman单元就是一种类型的接触模型,但其参数的确定及计算的收敛性都存在着一定的困难。然而把约束函数应用到常规的Goodman单元中则可以解决上述困难,在详细地给出了其有限元法后,给出了处理刚体位移的一种简便方法。作为算例,给出了叠梁和三峡3# 坝段坝基稳定性的计算结果。     

岩体初始应力场的遗传算法与有限元联合反演法

岩土工程问题的有限元分析一般需要考虑初始应力场。实际工程中,岩体往往为非线性。本文采用遗传算法与有限元联合反演法求解非线性岩体初始应力场,通过算例说明文中所提方法是合理的,可在工程应用中推广。     

虚拟单元法求解渗流流量

提出了计算渗流场流量的虚拟单元法,推导了虚拟单元法有限元方程,并探讨了虚拟单元法的有限元实现方法,建立了虚拟单元法求解渗流流量的理论和方法体系。二维径向渗流和平底坝基算例比较分析表明,虚拟单元法具有计算精度高及有限元实现简单并容易编写通用程序等优点。虚拟单元法与中线法计算流量具有相同的精度,但在应用上虚拟单元法有一定优势。     

横向扩展液化土中单桩-土系统的非线性分析

将地震液化场地分为地表的上覆未液化土层、底部的未液化基层以及夹在两者之间的液化土层,基于桩-土相互作用的非线性Winkler模型,考虑桩弯曲的非线性弯矩-曲率本构关系和桩的几何非线性变形,建立了液化土层横向扩展下桩非线性大挠度变形的基本控制方程,并利用打靶法进行了数值求解。同时,给出了桩线弹性小变形情形下的解析解。通过与非线性有限元解和线弹性小变形解析解的比较,验证了文中打靶法的有效性和可靠性。用数值方法分析了液化土层横向扩展对桩力学性能的影响,结果表明：非线性桩-土相互作用和桩材料非线性效应强于桩的几何非线性效应,随着液化土层横向扩展位移的增加,几何非线性效应逐渐增大,此时,应采用完全非线性模型进行桩力学行为的分析。     

用有限单元法分析超长单桩的荷载传递

用描述桩侧摩阻力与桩-土相对位移关系的指数函数,推导出桩-土接触面本构模型,并设置了Goodman接触面单元来分析桩土相互作用。针对超长桩钢筋混凝土受应力大的特点,用混凝土的弹性非线性模型来分析受轴向荷载下钢筋混凝土的应力应变关系。编制的有限元程序能解决层状土及层状土导致沿桩身不同位置处桩-土相互作用不同特性,并针对工程实例桩变截面的特点,采用合理的计算手段使得按等截面桩计算分析结果与按实际变截面桩计算分析结果相同。用此程序对一工程实例进行了计算分析,计算结果与静载试验实测值较符合。     

基于有限杆单元法的陡坡基桩非线性分析

根据陡坡段桥梁基桩承载特性,提出了一种可考虑桩土非线性作用的基桩内力与位移分析有限杆单元方法。首先,基于单元划分结果,结合桩侧摩阻力和坡体侧向推力的分布规律,得到了相应的等效结点荷载向量表示方法;其次,在线弹性地基反力法的基础上,引入p-y曲线开展了桩周土抗力非线性分析,并结合桩身P-?效应（P为桩顶轴向荷载,?为桩顶水平位移）计算方法给出了单元刚度矩阵修正方法,进而提出了适用于基桩内力位移非线性分析的有限杆单元法并编制了MATLAB计算程序;最后,结合某工程实例,将计算结果与工程实测值及已有理论值进行对比。结果表明：考虑桩土非线性作用的计算方法是合理的;当桩身具有自由段时,P-?效应对基桩内力位移的影响较大,在实际工程设计中不可忽视。     

基桩屈曲的几何非线性有限元分析

将桩身视为空间受力的梁单元,利用更新的拉格朗日坐标体系考虑梁单元的几何非线性;并采用弧长控制法求解有限元非线性方程组,进行基桩屈曲的几何非线性有限元分析。利用Matlab语言编制了相应的计算程序,将某现场木桩压屈试验实测屈曲临界荷载与理论分析比较,吻合良好。大量计算分析表明,桩周土地基系数、基桩埋入比、桩身材料和基桩长细比是影响基桩屈曲荷载大小的重要因素,在设计和施工中都应重视和考虑。     

全长黏结式锚杆沿程应力分布模拟方法

全长黏结式锚杆是地下洞室常用的一种围岩支护手段。研究全长黏结式锚杆沿程应力分布特性对于锚杆-围岩组合体的稳定性评价具有重要的作用。利用单元嵌入计算格式,建立锚杆-围岩组合体中锚杆的等效模拟方法。通过轴对称四边形单元模拟锚杆内部变形,据此推导该单元内力、切线刚度及锚杆模型固有内力、计算刚度,最终通过整体及局部坐标的变换建立锚杆模型附加内力及切线刚度的计算方法。锚杆的非线性特性主要由接触面失效、杆体屈服引起,该方法能够较方便地应用隐式有限元计算格式,对围岩及锚杆的非线性特性进行统一分析。该方法在反映锚杆对围岩支护效果的同时,能够较好地反映锚杆的沿程应力分布特性。     

基于刚体平动运动单元的上限有限元研究

刚性块体极限分析上限法常应用于岩土工程稳定性研究,然而应用时需假定刚性块体破坏模式并递推繁琐的几何关系。为此,提出一种适应性更广的基于非线性规划模型的刚体平动运动单元上限有限元法,并解决了其优化模型初始值的确定问题。通过引入有限单元思想,将计算区域离散成刚体单元,同时以单元速度和节点坐标作为决策变量,由上限定理建立非线性规划模型获得上限解。利用编制的上限有限元程序进行边坡和浅埋隧道稳定性算例验证,表明运动单元上限有限元法能调整速度间断线至较优方位,所得破坏模式特征鲜明,上限解精度高,可广泛应用于边坡、隧道等稳定性分析研究。     

应力奇异问题自适应有限元分析初探

讨论了应力奇异问题的ｈ型自适应分析非收敛性和伪收敛性，并从理论上进行了分析。从工程应用出发，在保证一定计算粘度的前题下，提出了一种避免自适应分析失败的方法。算例验证了其适用性。     

基于离散元的重力坝多滑面深层抗滑稳定分析

重力坝的深层抗滑稳定分析多采用刚体极限平衡法和非线性有限元法,但刚体极限平衡法不能反映坝基岩体渐进失稳过程和破坏的力学机制,非线性有限元法模拟岩体不连续效率低,且还未有统一的失稳判据。基于离散块体边界应力计算结果,提出重力坝坝基多滑面抗滑稳定安全系数计算公式,并探讨了以坝体-坝基系统能量突变作为坝基失稳判据的物理意义。通过与非线性有限单元法、刚体极限平衡法计算结果的比较,验证了所提方法及判据的可靠性及合理性。结合向家坝水电站重力坝泄12#坝段进行计算分析,结果表明：基于离散元强度储备系数法搜索的坝基失稳通道由坝基岩体屈服区和结构面滑移带组成,所提计算方法与判据适用于实际工程的坝基深层抗滑稳定计算分析,且计算结果偏安全。     

三维过渡等参单元在岩土工程有限元分析中的应用

土石坝等复杂土工结构物有限元三维建模中多采用精度较高的六面体单元辅以部分过渡用的退化单元,而退化单元由于形态不好,会导致有限元计算精度较差。解决该问题的途径之一是采用过渡性的等参元。总结了几种常遇到的过渡等参单元（楔形体、四面体、金字塔）的插值函数和高斯积分局部坐标和权重,并编入了有限元程序。通过比较六面体单元和金字塔单元剖分理想土石坝的有限元计算结果,说明所引入的金字塔单元是满足精度要求的。将各种过渡单元应用于实际土石坝工程的有限元计算,结果表明,使用过渡等参单元是可以在一定程度上提高计算精度的。最后讨论了二次单元在弹塑性有限元动力计算中的应用。二次单元的使用,可以改善动力计算中的超静孔压分布,提高计算精度。     

弹塑性无厚度接触面单元的本构积分算法及验证

对基于理想弹塑性理论框架、屈服准则为Mohr-Coulomb准则、采用非关联流动法则的无厚度接触面单元的本构积分算法进行了探讨,引入非关联的伪屈服函数和伪势函数,提出了将超出屈服面、处于角点应力区的试应力双向返回到屈服面的本构积分算法。据此编制了ABAQUS用户单元子程序,进行了算例验证。结果表明,提出的算法可以较好地实现土与结构物共同作用的有限元数值模拟。     

模拟三维裂纹问题的扩展有限元法

扩展有限元法是一种在常规有限元框架内求解强和弱不连续问题的新型数值方法,其计算网格与不连续面相互独立,因此模拟移动不连续面时无需对网格进行重新剖分。给出了模拟三维裂纹问题的扩展有限元法。在常规有限元位移模式中,基于单位分解的思想加进一个阶跃函数和二维渐近裂尖位移场,反映裂纹处位移的不连续性。用两个水平集函数表示裂纹。采用线性互补法求解裂纹面非线性接触条件,不需要迭代,提高了计算效率。采用两点位移外推法计算裂纹前缘应力强度因子。给出了3个三维弹性静力问题算例,其结果显示了所提方法能获得高精度的应力强度因子,并能有效地处理裂纹面间的接触问题,同时表明扩展有限元结合线性互补法求解不连续问题具有较好的前景。     

基于界面元法的向家坝重力坝深层抗滑稳定分析

重力坝的深层抗滑稳定分析多采用刚体极限平衡分析方法和非线性有限元法,但通常的刚体极限平衡法不能反映坝基岩体渐近失稳过程和破坏的力学机制,非线性有限元法则难以解决坝基中软弱结构面位移不连续问题。结合向家坝工程,建立了泄④坝段的计算模型,采用界面元法进行了大坝深层抗滑稳定分析,给出了坝基中破坏区的范围和分布,以及坝基的渐进破坏过程和可能滑体的抗滑稳定安全系数等成果,为坝基处理措施提供了重要的技术参考依据。研究结果表明,所建立的分析方法可以自然描述坝基岩体各种介质的错动、张开和滑移等不连续变形的特征,可用于重力坝坝基的深层抗滑稳定 分析。