Goodman接触面单元的修正与探讨

针对Goodman接触面单元的构造特征,提出了在单元法向加设刚连杆的修正方法,从物理方法上实现接触面单元与其他单元不会发生相互嵌入的现象。这一方法有效地克服了Goodman接触面单元有可能存在的两侧单元嵌入的缺陷,解决了单元应力误差难以控制的问题,详细探讨了修正Goodman接触面单元的有限元实现方法,使其在有限元计算中易于使用。

基于Goodman界面单元的加筋砂土变形破坏有限元数值分析

利用非线性弹塑性有限元,对无加筋砂土和采用光滑铜板的加筋砂土平面应变压缩试验结果进行从小变形到破坏的全过程数值解析。考虑到光滑铜板与砂土之间存在滑移,在有限元分析中采用Goodman连接单元作为界面单元。在有限元分析中还需考虑影响砂土变形强度的诸多特性,包括:(1)围压大小的相关性;(2)强度的各向异性;(3)峰值前应变硬化及峰值后应变软化的非线性特性;(4)剪胀性;(5)应变局部化及剪切带形成特性等。结果表明,利用建议的有限元方法得到的加筋砂土平面应变压缩的应变–应力关系与室内试验结果吻合较好,最大应力比和峰值前刚度非常接近试验结果;提出的有限元分析方法可以较准确地捕捉到砂土的剪切带发生、发展状况,合理地模拟加筋砂土的渐进性破坏特性以及加筋材和砂土之间的相互作用机制。

考虑土-结相互作用的大型结构高效地震分析方法

在对大型工程结构进行地震反应分析时土-结构相互作用通常不可忽略,然而,结构本身巨大的体量及考虑土-结构相互作用后引入的大范围土域模型导致计算规模通常十分庞大,由此引起的计算效率低下问题已成为制约此类结构性能分析的关键因素。该文提出一种新型土-结相互作用分析方法,并基于此实现了大型结构考虑土-结构相互作用的高效地震反应分析,建立不同接触状态下的单元法向和剪切相对位移分解方法;采用三维无厚度Goodman接触面单元格式对土与结构的接触行为进行描述,并通过插值方法对单元非线性变形进行描述,推导出隔离非线性的接触面单元控制方程;在此基础上,建立了大型工程结构考虑土-结构相互作用的整体式计算模型和高效地震反应分析方法。由于该文方法在每次迭代求解过程采用Woodbury公式计算结构响应,其仅需对一个规模极小的局部非线性矩阵进行迭代更新,避免了传统方法所需的结构大规模整体刚度矩阵实时更新分解,因而能够大幅度提高结构地震反应分析效率,数值算例验证了该文方法的有效性及高效性。

高温角阀阀座焊缝开裂原因分析

以高温高压角阀简化后的阀座组件为研究对象,利用有限元法及Goodman图法分析其服役过程中的应力情况与疲劳寿命,定性讨论阀座热装预应力对阀门性能的影响以及出现焊缝开裂的原因。研究结果表明,出口焊缝开裂为疲劳破坏,温度变化是导致焊缝开裂的主要因素;热装预应力的存在对阀门整体应力分布无影响,但造成进口焊缝平均应力幅值增加,降低了焊缝的疲劳寿命;而出口焊缝应采用U型坡口,可以提升其疲劳寿命。

盾构隧道已开裂管片的受力变形特性

结合广州地铁某已运营的盾构区间隧道现状,通过采用三维Goodman单元来模拟管片已存在的裂缝,对盾构区间隧道已开裂管片的裂缝深度变化对管片结构造成的影响进行了分析,同时也对侧向土压力、地基弹簧系数以及地下水位等几种重要因素对管片受力变形特性的影响进行了评估。研究表明,随着裂缝深度的增加,管片砼的拉应力、压应力虽然达到最大值,但变化幅度并不大。但当裂缝接近径向贯通的时候,钢筋的拉应力值会大大增加,有可能超过允许值。同时,在盾构管片存在既有裂缝的情况下,盾构管片的最大拉应力值、水平和竖向收敛值、竖向沉降值均随侧向土压力系数、地基弹簧系数的减少而增大,同时随地下水位埋深的增大而增大。根据研究结果,对该区间隧道盾构隧道的裂缝等病害采取了针对性修复措施,目前无新的裂缝出现,总体处于稳定及安全的状态。

桩土动力分析中接触模型的研究

本文分析了目前常用ANSYS软件中土—结构动力作用中接触单元的工作机理,认为采用此软件中的接触单元对桩土动力接触分析会带来一定的误差。文中通过对桩—土—结构的动力相互作用简化分析中常用的Goodman接触单元的分析,在现有的Goodman单元的基础上加上阻尼成分,解决了Goodman单元只能考虑桩土之间力的传递,而不能考虑桩土动力相互作用中部分能量的耗散问题。通过分析比较,得出在中小地震作用下Goodman接触单元考虑阻尼后上部结构所受弯矩﹑剪力以及水平位移都有不同程度的降低。可见采用原来的Goodman单元分析高估了上部结构的受力和变形。

土工格室加固浅层饱和黄土地基的有限元分析

基于MARC有限元软件,采用研编的Goodman单元用户子程序,对用土工格室处理浅层饱和黄土地基的效果进行了有限元分析(FEA),结果表明:土工格室的有效影响深度为饱和黄土层厚度的50%左右,处理后的饱和黄土地基,水平位移在影响深度范围内可减小约17%左右;竖向位移也得到了一定的减小,最大可减小5%左右;最大竖向应力值减小35%左右;土工格室的加固厚度对路堤总沉降变形影响不大,但对水平位移影响较明显;相同工况下土工格室的布置位置对处理效果影响不大。结合工程实践,对有限元分析结果和现场实测数据进行对比分析,结果表明:土工格室加固方法能有效地处理浅层饱和黄土地基。

土石坝低弹性模量混凝土防渗墙应力变形数值分析

目前关于在大坝除险加固过程中应用较多的低弹性模量混凝土防渗墙的工作性状及受力特性等方面的研究较少,有必要进行深入研究。对采用低弹性模量混凝土防渗墙加固的某土石坝典型断面进行了有限元数值分析,采用改进的Goodman单元模拟防渗墙与周围土体的接触面,计算了不同水位下防渗墙的应力变形情况,并将数值计算得到的水平位移值与实测值进行了对比。此外,还对比分析了不同弹性模量下防渗墙墙体的位移和应力变化情况,可供实际加固工程中防渗墙弹性模量取值时参考。

接触面刚度对双排桩支护结构的影响分析

在深基坑支护结构的科学研究和实际工程设计计算中,有限元数值分析方法得到了越来越广泛的运用。目前一般通过设置接触面单元来模拟支护结构与土之间的相互作用。但在实际应用过程中,接触面参数的取值问题给模拟计算结果带来了许多不确定性,目前其取值仍是一个比较棘手的问题。利用Goodman接触面单元模拟了双排桩支护结构与周围土体之间的相互作用,通过改变Goodman接触面单元的初始法向刚度及初始切向刚度,分析了其变化对双排桩支护结构水平位移、桩顶竖直位移及周围土体沉降及坑底隆起量的影响,对双排桩支护基坑数值分析时接触面初始刚度系数的选取具有重要意义。

基于扩展Lagrange乘子的Clough接触面模型及应用

双曲线接触面本构模型能比较真实地模拟堆石材料与混凝土面板间的接触关系,扩展Lagrange乘子法能比较精确地计算接触面间接触状态。在吸取Clough双曲线接触面本构关系应用于无厚度的Goodman单元和有厚度的Desai薄层单元的成功经验的基础上,将Clough双曲线接触面模型引入扩展Lagrange乘子法进行摩擦接触问题的求解。介绍了基于扩展Lagrange乘子法的序列二次规划法(SQP)提法,详细推导了在扩展Lagrange算法的非线性接触计算中引入Clough双曲线接触面本构关系的数值列式和实施步骤。数值算例和工程实例的计算结果证明该方法是成功的,能够比较真实地模拟堆石-混凝土墙(混凝土面板)之间的接触状态。

“混用体系”中型砌块墙片有限元弹塑性分析

本文采用有限元法对伪静力试验所做的中型砌块墙片进行弹塑性分析计算．砌体中的灰缝单元采用了接触面单元．对“混用体系”中型砌块墙片中芯柱的作用进行了探讨和研究，并提出了一些设计建议．

倾斜荷载下群桩有限元分析方法探讨

采用Goodman单元模拟桩土界面的相互作用 ,利用有限元分析方法对倾斜荷载下群桩的受力特性进行探讨 ,并开发出适用于各种荷载形式的计算程序。工程实例分析表明 ,该方法能充分反映桩土作有机理及群桩作用效应 ,具有一定的理论意义与工程实用价值。

复合型土钉墙的非线性有限元分析

复合型土钉墙是近年来在沿海软土地区出现的一种新型基坑围护结构 ,已得到广泛应用。建立并采用了带转动自由度的Goodman单元 ,对其进行的非线性有限元分析 ,通过与工程实例的对比检验了这一方法的合理性。

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。

无网格法对岩体不连续面的模拟

鉴于以Goodman单元为代表的界面单元在传统有限元法中取得了广泛而成功的应用,因而采用无网格法进行岩土工程数值分析时,首先考虑引入Goodman单元以模拟不连续面。详细分析将Goodman单元引入无网格法模拟不连续面的可行性和当前研究所存在的问题。研究结果表明,由于Goodman单元最初的应用对象是有限元法,其位移模式实质是为了实现与其相连接的有限单元相协调;而无网格的位移模式是基于离散节点的,对于不同的待插值点,影响域覆盖该插值点的节点及其数量也不相同;因而必然存在着无网格法的位移模式与Goodman单元边界上假定的位移模式不相协调的问题。解决这个问题的关键是在考虑节理单元的刚度对总体刚度矩阵的贡献时,应采用数值积分计算得到节理单元的刚度矩阵而不是简单的将传统解析表达式累加到求解系统的总体刚度矩阵中去;考虑到上述特点,界面单元可以隐式或显式出现在计算模型中。以自然单元法为例详细介绍显式和隐式Goodman单元的具体实现方案,并给出相应的算例进行数值验证和对比;所提出的思路对于一般的无网格方法都是适用的。

节理岩体边坡稳定上限分析方法

运用Goodman节理单元和上限分析定理研究节理岩体边坡稳定情况。假设组成岩体的岩块和节理为理想刚塑性且满足Mohr-Coulomb屈服准则,采用Goodman节理单元建立了节理岩体边坡稳定的上限分析有限元格式。通过把外载或自重的载荷乘子作为目标函数,形成了带等式约束的非线性数学规划问题,采用一种无搜索直接迭代算法求解。数值计算结果表明单组节理岩体的节理方向对岩体边坡稳定影响明显。

旧水泥混凝土道面加铺层有限元分析方法

本文提出了弹性地基上板的三维应力分析方法。考虑上下板之间既非完全连续，又非完全光滑的接触状态．引用了三维Ｇｏｏｄｍａｎ模型单元。据此编制了旧道面板上加铺层的三维有限元分析程序。经与其它成果对比，证明所编程序正确可靠。

竖向载荷作用下单桩接触面性能分析

在桩与土界面处设置Goodman接触单元来模拟桩与土的滑移变形和开裂,建立了单桩在竖向载荷作用下接触面应力和位移的关系公式。用三维有限元的方法,考虑了土体的非线性(Drucker-Prager模型)力学性能,对模型桩进行了模拟计算分析,详细讨论了双曲线接触面本构关系的初始切向、法向刚度对桩顶位移及地表沉降的影响。对理论分析桩的载荷沉降提供了一种有益的参考。

复杂地基条件下桩-土-核岛结构相互作用模型研究

合理有效地模拟桩-土-结构动力相互作用是软土地基条件下核岛厂房结构抗震适应性分析及地基处理的关键环节。以某拟建核岛厂房实际工程为研究背景,结合SuperFLUSH软件平台,以Goodman单元模拟桩与桩周土间的接触效应,采用等价线性法描述近场软土地基非线性特性,并在模型底部和侧面引入黏性边界模拟半无限地基辐射阻尼效应,从而建立土质地基条件下桩-土-核岛结构相互作用分析模型。进而,通过对原状地基和嵌岩桩处理地基条件下核岛厂房的楼层反应谱、结构节点相对位移(绝对值)的对比分析,探讨考虑桩-土间接触效应的嵌岩桩基对核岛厂房结构的影响规律。研究成果可为实际工程中类似土质地基条件下核岛厂房结构的地基处理提供参考。

含软弱夹层层状围岩地下洞室平面非线性有限元分析

对含软弱夹层的层状围岩建立有限元计算模型,提出层状岩体与软弱夹层按横观各向同性材料,层间接触面则以带转动自由度的Goodman接触面单元进行摸拟,通过对工程实测数据和弹塑性非线性有限元计算结果进行对比分析证明其是合理的。