更全的杂志信息网

静、动力分析中的一种初始地应力场平衡方法

更新时间:2009-03-28

地应力是存在于地壳中未受工程扰动的天然应力,也称初始地应力,广义上也指地球体内的应力。初始地应力场必须以“零”位移场的状态输入到有限元计算模型以开展后续的计算分析[1],这称为初始地应力场平衡。在基坑、地下结构、挡土墙等岩土工程分析,以及土体固结分析[2]中,都需要平衡初始地应力。初始应力场对于正确分析模拟具有围压依赖性和接触问题尤为重要,如接触面和目标面间的库仑摩擦力与层间摩擦系数、法向应力和切向刚度均有关[3]。同时,在土-结构(以下简称土结)动力相互作用分析研究中,定义了土与结构的接触界面上的主从接触面单元来模拟接触面上的滑移、脱开或闭合等接触现象。土结接触面上的法向应力与初始重力场直接相关,而库仑摩擦力又与法向应力有关,若在计算土结相互作用时不考虑初始重力场的影响,重力所引起的初始应力对接触状态的影响也将得不到考虑。因此,准确模拟初始应力场是后继岩土工程动力响应分析正确与否的关键。

初始应力场平衡(*GEOSTATIC分析)通常都作为岩土工程分析的第一步,在该分析步中,对土体施加体积应力。理想状态下,该作用力与土体的初始应力正好平衡,使得土体的初始位移为零。定义初始地应力时,需要满足2个条件[4]:1)平衡条件——由应力场形成的等效节点荷载和外荷载相平衡,这样得到的初始位移为零;2)屈服条件——高斯点的应力应位于屈服面内。许多学者[5-8]已经注意到初始地应力平衡在地下结构动力分析中的重要性,但这些研究仅简单说明了初始地应力的重要性,并无详细分析及地应力平衡方法介绍。徐磊[9]提出一种可以实现复杂初始地应力精确平衡的方法,该方法在有限元模型中施加节点荷载来与初始地应力平衡。代汝林等[10]举例比较了ABAQUS提供的不同初始地应力平衡方法的适用性及优缺点。杨金尤等[11]分析比较了ABAQUS中的5种初始地应力平衡方法。但以上研究成果中,将边界条件考虑为侧边界限制水平位移和底边界固定,这种边界条件下虽然能够得到很好的初始地应力平衡效果,且对于静力问题分析可以满足精度,但这种边界往往难以满足动力分析问题。对于动力分析,孙伟丰[12]所采用黏性边界考虑了初始应力场的平衡,但此种边界对于动力分析的收敛性较差[13]。目前研究存在的问题主要是,采用固定边界能够很好地平衡静力状态下的初始地应力场,但是固定边界对于动力问题不适用,因此本文采用黏弹性人工边界条件,基于ABAQUS提出一种可以很好地模拟静、动力条件下初始地应力平衡的方法。

四川大学陈剑等[11]从酱香型酒糟中筛选得到1株耐酸产酯细菌ZP-28,此株细菌具有显著耐高温耐酸特性,且酯化力较高,将其应用在麸曲中具有明显改善麸曲品质的作用。本课题在此基础上以该菌株为研究对象,采用分子生物学方法对其进行鉴定,并利用活菌计数法和分光光度法两种不同的方法测定其生长曲线,采用单因素实验考察了温度、培养时间、接种量等培养条件对酯化力的影响,并在此基础上采用正交法对上述发酵条件进行了优化,对改进制曲工艺,提高白酒酯香提供了一定的理论依据。

1 ABAQUS中初始地应力平衡方法

ABAQUS中进行初始地应力平衡可以有5种方法:自动平衡法、关键字定义法、odb导入法、初始应力提取法和用户子程序法。文献[10—11]对这5种方法进行了比较与分析,说明了各方法的优缺点,但这2篇文献中对于初始地应力的平衡还仅限于静力分析,对于动力分析还存在一定的局限性。而事实上,初始地应力的平衡跟人工边界条件密切相关,尤其是对于诸如地震作用下的动力分析,人工边界条件的影响不可忽略。为了说明人工边界条件和初始地应力平衡结果对动力分析结果的影响,本文采用2种边界条件:1)固定边界,即侧边界限制水平位移,而底边界限制水平和竖向位移;2)黏弹性边界条件,即在侧边界和底边界上设置法向和切向的弹簧和阻尼器。采用刘晶波等[14]提出的黏弹性动力人工边界来模拟模型边界上波的散射,黏弹性动力人工边界可以等效为在人工截断边界上设置连续分布的并联弹簧-阻尼器系统,具体表达式见式(1):

1.2.3 培训内容 针对问卷调查的结果,确定相应的培训内容。主要为:①腰背痛产生的原因、预防、锻炼。②力学的原理,节力原则及运用。③正确的各种预防腰背痛发生的姿势、各项正确的护理操作。

 

(1)

2)直接在黏弹性边界施加重力荷载,初始地应力场不能平衡,产生初始应力,会增大后续动力分析中应力响应结果;

本文以初始地应力平衡方法之关键词定义法为基础,提出静、动力分析中地应力场平衡方法,分为3个步骤:第1步,采用固定边界,定义初始条件为*initial conditions, type=stress, geostatic,数据行内容为土体单元集、自由表面坐标、自由表面应力、底面坐标、底面应力、侧压力系数。并在分析步*geostatic中施加重力荷载(*dload命令下施加重力分布荷载),输出边界上节点的反力;第2步,采用黏弹性人工边界条件,将第1步中得到的边界节点的反力作为集中荷载施加到模型上;第3步,采用在模型边界上施加地震波位移时程(见图1 a)),进行动力响应分析。用静、动力分析中地应力平衡方法计算得到的动力响应结果与解析解比较,来证明方法的合理性。

2 有限元算例分析

采用静、动力分析中初始地应力场平衡方法,建立有限元自由场模型,分析人工边界条件的影响,证明方法的合理性及有效性。

2.1 模型建立

本文采用文献[15]中解析方法得到的理论解,来验证地应力平衡方法的合理性。图5是理论解、固定边界、黏弹性边界加固定边界支座反力在模型场地测点的水平位移结果比较。图5 a)为自由表面测点A的水平位移,可以看出,固定边界得到的结果与理论解相差太多,而黏弹性边界加固定边界支座反力的结果与理论解吻合较好。图5 b)为底边界测点C的计算结果与理论解比较,由于固定边界限制了底边界上的位移,故固定边界计算结果为零,而黏弹性边界加固定边界支座反力的计算结果与理论解吻合很好,这也说明,地震波传播过程中,由于固定边界限制了波动的传播,与实际情况不符,而黏弹性边界加固定边界支座反力能够很好地拟合边界上波动的透射与散射。

  

图1 计算模型及入射波时程Fig.1 Calculating model and input wave time history

2.2 结果分析

2.2.1 地应力平衡结果

图2为固定人工边界条件下初始地应力平衡结果。由图2 a)可以看出,Mises应力为0.413 7 MPa;由图2 b)可以看出,场地的最大竖向位移为6.936×10-19 m,几乎可以忽略不计,初始地应力平衡效果非常好。

  

图2 固定边界条件下初始地应力平衡结果Fig.2 Initial geo-stress balanced results under fixed boundary condition

图3为仅黏弹性人工边界条件下的初始地应力平衡结果。由图3 a)可看出,Mises应力为0.785 5 MPa,应力结果比固定边界情况下的计算结果偏大。而由图3 b)可以看出,场地的最大竖向位移为-1.116×10-2 m,即场地向下移动位移约11.16 mm,初始位移过大,初始地应力平衡效果非常差。

上述方案1、方案2和方案3新增容量分别为135.5 MW、120 MW和135.5 MW。按岛内最大一台单机或单极柔直输送容量考虑电源备用,各方案电源N-1情况下供电能力对比如表2所示。

  

图3 仅黏弹性人工边界条件下的初始地应力平衡结果Fig.3 Initial geo-stress balanced results under visco-elastic boundary condition

[6] 权登州.黄土地区地铁车站地震反应特征与抗震计算方法研究[D]. 西安:长安大学,2016.

  

图4 黏弹性边界加固定边界支座反力条件下的初始地应力平衡结果Fig.4 Initial geo-stress balanced results under visco-elastic boundary condition with fixed boundary reaction force

2.2.2 地应力平衡结果对动力响应影响

本文采用计算模型如图1 b)所示。土体本构采用弹性本构模型,材料参数:弹性模量E=6×109Pa,泊松比μ=0.3,质量密度ρ=1 800 kg/m3。计算模型的尺寸为xb=yb=50 m。有限元网格尺寸为Δxy=5 m,时间步长取为Δt=0.005 s。有限元建模中土体单元采用4结点平面应变单元(CPE4)。入射波采用正弦波,为了减少初始值非零冲击的影响,对一个周期的正弦波位移时程加Haning窗函数,经处理以后的入射波的水平位移时程如图1 a)所示。

  

图5 水平位移结果比较Fig.5 Comparison of horizontal displacement

图6为模型场地上测点A和测点B处的等效剪应力结果比较,即将单元上的剪应力等效到相应的节点处。由图6可以看出,黏弹性边界加固定边界支座反力情况下,剪应力计算结果能够与理论解较好吻合,而固定边界情况下剪应力结果要明显小于理论解。

  

图6 等效剪应力结果比较Fig.6 Comparison of equivalent shear stress

由于数值计算结果与理论结果还存在一定的误差,因此,在图5和图6中未列出仅黏弹性边界条件下的结果,图7给出仅黏弹性边界条件下与黏弹性边界加固定边界支座反力条件下的正应力结果比较。可以看出,仅黏弹性边界条件下正应力明显高于黏弹性边界加固定边界支座反力条件下的结果,这是由于仅黏弹性边界条件下的初始应力场未平衡,使得初始的应力场叠加到了动力分析中,显然初始应力场的平衡结果对动力分析影响较大。

  

图7 正应力结果比较Fig.7 Comparison of normal stress

3

初始地应力是岩土工程分析中重要的初始条件,初始地应力场的平衡与否直接影响到后续岩土工程动力响应分析是否正确,以往的研究通常是在固定边界上进行初始应力场的平衡,而固定边界对于动力分析结果往往因误差太大而不合理。本文在固定边界计算结果基础上导出人工边界节点上的反力,施加到黏弹性边界模型上,能够很好地平衡初始应力场。经过分析,本文得出的结论如下:

1)固定边界能够很好地平衡初始地应力场,对于后续的静力分析可以满足要求,但是对于如地震作用的动力分析,计算结果与实际相差太大而不合理;

式中:ρ为土体密度;G为土体剪切弹性模量;VsVp分别为剪切波速和压缩波速;KBTKBN分别表示切向和法向弹簧系数;CBTCBN分别为切向和法向阻尼器系数;R表示散射波源至人工边界的距离;对于二维问题,αT取值0.5,αN取值1.0[13]

3)将固定边界初始地应力平衡模型中边界上节点反力施加到黏弹性边界模型上,初始应力场能够很好平衡,初始竖向位移可忽略,对动力分析结果影响不大,能够用于后续动力分析。

LIU Zhongqiu, ZHANG Qing, SHU Jiaqing. Application of ABAQUS software to the back analysis of rock mechanical parameters and initial earth stress field[J]. Water Power, 2008, 34(6): 35-37.

参考文献/References

(2)低温环境下,该混凝土配合比未发生改变,混凝土浇筑温度增大会使温度应力增大,浇筑温度减小会使混凝土产生冻害,改变浇筑温度不能达到控制温度裂缝产生目的,要改变混凝土配合比设计,设计出在低温环境下施工不产生温度裂缝的混凝土配合比进行施工。

[1] 刘仲秋,章青,束加庆.ABAQUS软件在岩体力学参数和初始地应力场反演中的应用[J].水力发电,2008,34(6):35-37.

余昌胤对记者说,通过优质医疗技术的创新引领,医院大批的临床科室积极发展各类优质医疗技术,尤其是在介入、微创、腔镜以及内镜等技术领域取得了较大突破和进展,多项技术在贵州省乃至西南地区处于领先水平,为患者提供了更为优质、高效、便捷、安全的医疗服务。近年来,患者满意度不断提升,住院患者满意度均在90%以上,吸引了大批外地患者慕名前来医院就诊。

本文方法适用于较均匀的层状场地的初始应力场平衡的静、动力问题分析,不足之处在于未对非均匀场地及有结构的场地进行验证,下一步研究重点将放在带结构的非均匀场地的初始应力场的静、动力分析方面。

[2] 赵全胜,张春会. 改进Duncan-Chang模型及其在基坑开挖数值模拟中的应用[J]. 河北科技大学学报,2009,30(2):146-151.

ZHAO Quansheng, ZHANG Chunhui. Umproved Duncan-Chang model and its application in pit excavation simulation[J]. Journal of Hebei University of Science and Technology, 2009, 30(2): 146-151.

[3] 王金昌,陈页开. ABAQUS在土木工程中的应用[M]. 杭州:浙江大学出版社,2006.

[4] 曹金凤,石亦平.ABAQUS有限元分析常见问题解答[M].北京:机械工业出版社,2009.

[5] 王苏,路德春,杜修力. 地下结构地震破坏静-动力耦合模拟研究[J]. 岩土力学,2012,33(11):3483-3488.

①“三易说”并不见于沈约文集,而是出自《颜氏家训·文章篇》,乃颜之推引沈约语训示子侄:“沈隐侯曰:‘文章当从三易:易见事,一也;易识字,二也;易诵读,三也。’”该说虽非全关用典,但为沈约文学思想之核要,从根本上决定了其对于用典的态度。

WU Huaqiao. Response Analysis of Utility Tunnel under Fault[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2017.

受到应力重分布影响,地铁施工开挖会导致高铁盾构管片产生明显变形,图10是地铁双区间隧道中心截面不同施工方法盾构管片沿环向变形曲线。

图4为在黏弹性人工边界加上固定边界支座反力(以下简称黏弹性边界加固定边界支座反力)时的初始地应力平衡结果。由图4 a)可以看出,最大Mises应力为0.413 7 MPa,与固定边界情况下一致。由图4 b)可以看出,场地初始位移最大值为1.597×10-18 m,虽然比固定边界情况下大,但初始位移也可以忽略不计,可见此种情况下初始地应力平衡结果也很好。

QUAN Dengzhou. Seismic Response Characteristic and Calculation Method of Subway Station in Loess[D]. Xi’an: Chang’an University, 2016.

[7] 解朝朋.地震作用下昆明地区Ⅲ类场地土对带塔楼结构的影响分析[D]. 昆明:云南大学,2016.

“突然,我们的观测能力比之前提高了1000倍,”当这个设备于2016年投入使用时,根策尔博士如是说。另外,他们还可以使用VLT日复一日地追踪恒星S2的运动。

XIE Chaopeng. Effect of the Ⅲ Site Soil in Kunming on Structure with Tower under Earthquake[D]. Kunming: Yunnan University, 2016.

[8] 武华桥. 综合管廊在断层位移作用下的反应分析[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学,2017.

“最后,我们来看一下这波团战的经过。”王小景一边看着大屏幕上的资料,一边开启了解说模式,“清军的主‘肉盾’‘定远号’用主炮射击首先开团,副‘肉盾’‘镇远号’跟着施放技能,然后所有队员冲了上去!日军利用速度优势,派出四舰突击,切了清军的后排,直接灭了后排的‘超勇号’和‘扬威号’,对清军形成了两面夹击!为保护后排,清军‘致远号’拼尽全力,冲击日军的突击队,最终英勇献身!‘经远号’继续冲击日军的突击队!但在这时,两名后排队员‘友济元号’和‘广甲号’直接选择了回城!”

WANG Su, LU Dechun, DU Xiuli. Research on underground structure seismic damage using static-dynamic coupling simulation method[J]. Rock and Soil Mechanics, 2012, 33(11): 3483-3488.

[9] 徐磊. 一种实现复杂初始地应力场精确平衡的通用方法[J]. 三峡大学学报(自然科学版),2012,34(3):30-33.

XU Lei. A general method for the accurate equilibrium of complex initial in-situ stress field[J]. Journal of China Three Gorges University (Natural Sciences), 2012, 34(3): 30-33.

[10] 代汝林,李忠芳,王姣. 基于ABAQUS的初始地应力平衡方法研究[J]. 重庆工商大学学报(自然科学版),2012,29(9):76-81.

DAI Rulin, LI Zhongfang, WANG Jiao. Research on initial geo-stress balance method based on ABAQUS[J]. Journal of Chongqing Technology Business University (Natural Science Edition), 2012, 29(9): 76-81.

长安城里,也只是雄鸡一唱天下白,东市的商家才刚刚抹着惺忪睡眼,卸下门板开门做清早的生意呢。什么药?老神仙将之称为“归妹丹”,是由《淮南子》里取来的典故,人说那嫦娥吃下西王母的不死药,飞向月宫,“翩翩归妹,化为蟾蜍”,哪里是成了什么仙女哟。那日雨鸾赴宴前,洗尽铅华将归妹丹破碎,辗成药粉,对着铜镜,一点一点描在脸颊与眉眼间,药粉风干收缩,将雨鸾一张春花一般明媚的脸,顿时扯得眼歪嘴斜,她一下子就由风华绝代的少妇变身为萎黄臃肿的妇人。

[11] 杨金尤,雷金波,邹永强 等. 基于ABAQUS的带帽桩复合地基初始地应力平衡方法浅析[J]. 南昌航空大学学报(自然科学版),2017,31(4):73-78.

2015 年,为推动民族团结进步创建进宗教活动场所,提升宗教工作法治化水平,以法治的方式推动宗教工作和解决宗教领域突出问题,为谱写中国梦的云南篇章凝聚广大宗教界人士和信教群众的力量,促进民族团结进步、宗教和谐有序、边疆繁荣稳定,云南省民族宗教委在全省开展创建“和谐寺观教堂”命名活动,每年创建100 个“和谐寺观教堂”。

YANG Jinyou, LEI Jinbo, ZOU Yongqiang, et al. Preliminary analysis on initial stress balance method of composite foundation with cap pile based on ABAQUS [J]. Journal of Nanchang Hangkong University(Natural Sciences), 2017, 31(4): 73-78.

[12] 孙伟丰. 成层地基中地下结构振动台试验及数值模拟[D]. 哈尔滨:中国地震局工程力学研究所,2013.

SUN Weifeng. Shaking Table Test and Numerical Simulation of Underground Structures in Layered Foundation[D]. Harbin: Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration, 2013.

[13] 刘晶波,李彬.三维黏弹性静-动力统一人工边界[J]. 中国科学(E辑)工程科学 材料科学,2005,35(9):966-980.

[14] 刘晶波,王振宇,杜修力,等.波动问题中的三维时域粘弹性人工边界[J].工程力学,2005,22(6):46-51.

精细勘探的主要对象是岩性油藏富集区,即岩性油气藏连片分布、主力层系明确、油层相互迭置且累计厚度较大、砂体油气充满度较高、但砂体平面分布较为复杂,常规勘探开发难以取得较好经济效益的地区。

LIU Jingbo, WANG Zhenyu, DU Xiuli, et al. Three-dimensional visco-elastic artificial boundaries in time domain for wave motion problems[J]. Engineering Mechanics, 2005, 22(6): 46-51.

侯大同从此与汤家结缘。五年后,汤翠大学毕业偶遇侯大同,才知道他还单着。经过几次恋爱的汤翠已经抛去一切对爱情不切实际的幻想,侯大同的好很快重新漫上汤翠的心。没想到,侯大同竟然不乐意。汤家分析来分析去,侯大同缺少拒绝的理由。汤翠漂亮不说,工作也体面,市统计局公务员。侯大同呢,父母不在了,虽说卖地补偿的两套房子都归了他,毕竟没个固定工作,像个游民。不愁吃不愁穿不假,在外面说起来到底气短。汤翠觉得,侯大同这样的人不可能因为两套房子看不上她。原因只剩一个,侯大同自卑,怕自己配不上她。找到症结,汤翠像当年的侯大同一样,勇往直前,一举拿下侯大同。

[15] 蒋录珍,郭亚然,陈艳华. SV波在饱和土体自由表面的反射[J]. 地震工程学报,2017,39(6):1054-1061.

JIANG Luzhen, GUO Yaran, CHEN Yanhua. Reflection of SV wave at the free surface of saturated soils[J]. China Earthquake Engineering Journal, 2017, 39(6): 1054-1061.

 
郭亚然,石文倩,李双飞,蒋录珍
《河北工业科技》 2018年第03期
《河北工业科技》2018年第03期文献

服务严谨可靠 7×14小时在线支持 支持宝特邀商家 不满意退款

本站非杂志社官网,上千家国家级期刊、省级期刊、北大核心、南大核心、专业的职称论文发表网站。
职称论文发表、杂志论文发表、期刊征稿、期刊投稿,论文发表指导正规机构。是您首选最可靠,最快速的期刊论文发表网站。
免责声明:本网站部分资源、信息来源于网络,完全免费共享,仅供学习和研究使用,版权和著作权归原作者所有
如有不愿意被转载的情况,请通知我们删除已转载的信息 粤ICP备2023046998号