摘要：地震作用下水工隧洞混凝土衬砌结构的动态响应是工程设计和安全评估的重要内容,建立科学合理的混凝土动力本构模型以及内水与衬砌动力耦合作用分析方法是衬砌结构抗震研究的关键环节。基于应变空间静力损伤本构的基本思路,对3维应力状态下混凝土静态拉、压损伤变量进行定义和求解;在此基础上,考虑静、动态荷载作用下混凝土本构关系曲线的相似性特点,建立了适宜编程的混凝土动态损伤本构模型。基于单相固体介质和流体介质动力分析的显式有限元法,结合耦合界面的边界条件,建立了水工隧洞内水与衬砌耦合作用的动力显式有限元分析模型,该方法可以直接进行逐步积分,无需联立方程组求解,大大简化了计算过程,可以方便地用于分析多种介质的波动传播问题。针对某水电站引水隧洞工程进行了实例分析,计算结果表明:1)各部位混凝土衬砌处于同步震动状态,但腰拱部位位移明显小于顶拱和底拱部位;2)地震作用下混凝土衬砌迅速进入损伤开裂状态,腰拱部位衬砌应力增加明显,损伤破坏严重;3)开裂破坏区由腰拱逐渐向两端扩展,与内水直接作用的内层衬砌结构是抗震设计的薄弱环节。该模型能够合理地反映水工隧洞混凝土衬砌的地震动响应特性,并为水工隧洞抗震设计提供了一种有效的分析方法。

摘要：基于引水隧洞运行期受力机制,将运行期全过程分为3个阶段:钢衬单独承载,初始缝隙闭合阶段;衬砌未开裂,衬砌与围岩复杂接触联合承载阶段;衬砌开裂,内水外渗阶段。针对各阶段力学特性,分别提出钢衬单独作用弹性荷载求解方法、基于接触力法的衬砌与围岩联合承载分析方法以及考虑应力和损伤影响的渗透系数与渗透荷载计算方法。并据此编制三维有限元计算程序,对某引水隧洞运行期全过程进行数值模拟。研究结果表明:工程实例计算结果较为合理地反映高内水压力下引水隧洞运行期全过程受力特性,并为水工隧洞设计提供一种有效的分析方法。

摘要：针对地下厂房衬砌与围岩的动力相互作用特点,提出了一种考虑接触面黏结特性的动接触力算法.该算法考虑了接触面间的黏结作用,可模拟计算动力作用下接触面的黏结接触、滑动接触和分离三种状态,适合地下厂房混凝土结构和围岩这种大型复杂接触系统动力计算.基于此接触面算法,采用自主开发的动力计算平台SUCED,对映秀湾水电站主厂房结构进行了动力分析.数值分析表明:考虑接触面粘结特性的动接触力算法是合理而有效的,计算结果揭示了地下厂房结构的震损演化过程与特点,为其抗震设计提供了理论依据.

摘要：有限元软件在工程设计和科学研究中得到了广泛应用,能否方便地观察模型、反映最新的理论和研究成果,是衡量一个有限元软件是否成功的重要因素,而它们都与可视化密切相关,可视化的图形系统已成为有限元软件中必不可少的一部分。通过对目前比较常用的GDI绘图和OpenGL进行比较分析,显示了用OpenGL开发的三维有限元图形系统具有的速度快、绘图功能强、选择和反馈方便、视觉效果好等优越性,并介绍了如何使用OpenGL函数库以及面向对象技术有效地组织地下结构工程有限元前、后处理图形系统所涉及的复杂数据。在此基础上提出程序的数据结构和基本算法,说明其如何与有限元模型交互操作,如何能快速选择节点和单元,如何绘制彩色云图和等值线图等。最后给出部分实例对其加以说明。

摘要：复杂地下洞室围岩开挖扰动区的形成和发展具有明显的空间效应。岩体开挖扰动损伤总体上表现为岩体变形模量的劣化。考虑到基于厚壁圆筒弹性力学分析的弹性模量压力和半径相关模型的应用局限性,提出开挖扰动区岩体变形模量的半径-位移相关模型,并对模型的多洞室适用性和参数敏感性进行了分析。该模型实质上是一个参数场模型,通过变形模量劣化参数场分布量化揭示开挖扰动的空间效应。以瀑布沟水电站大型地下厂房洞室群工程为例,基于位移监测信息,应用半径-位移相关模型对主厂房围岩开挖扰动的空间效应及围岩稳定性进行了参数化分析。围岩变形模量劣化参数场沿厂房轴线具有明显的空间不均匀性,沿深度方向呈现指数函数分布特征。结果表明:该模型为开挖扰动区岩体变形模量参数的确定提供了合理的数值计算方法;通过岩体变形模量半径-位移相关模型参数化分析开挖扰动的空间效应,对于地下洞室施工期快速监测反馈和围岩安全稳定性评判以及支护优化设计具有显著的工程适用性。

摘要：为研究层状岩体对隧洞地震响应的影响,考虑地震动斜入射特性和层状岩体层间非线性接触特性,建立一种层状岩体水工隧洞地震动力响应数值模拟方法.首先,基于三维黏弹性人工边界条件和波场分解理论,将地震动转化为作用于人工边界上的等效节点力,建立了一种层状岩体中地震动三维空间斜入射输入方法.其次,针对地震作用下层状岩体层间动力相互作用特点,建立了一种考虑接触面黏结滑移特性的动接触力算法.将该模拟方法应用于巴基斯坦阿扎德帕坦水电站输水隧洞抗震稳定计算,对比分析地震动竖直入射、地震动斜入射、地震动斜入射且考虑动接触3种工况的计算结果,结果表明,地震作用下隧洞结构的应力和位移响应受地震动入射角影响明显;层间剪切、挤压破碎带的存在加剧了隧洞的地震反应,接触面附近破坏区发展较大;考虑接触作用后,衬砌腰部的应力和位移响应相比顶拱较大,首先发生开裂损伤破坏,成为水工隧洞衬砌结构抗震设计的薄弱部位,隧洞结构的损伤区主要分布于软岩穿过部位和层间接触部位.

摘要：陡倾角断层带是地下洞室抗震稳定性的薄弱环节。针对围岩和断层的复杂动力相互作用特点,在Ladanyi剪切强度模型的基础上引入震动劣化系数,建立了考虑非线性力学特性和震动劣化效应的抗剪强度模型。进一步考虑围岩和断层的非连续变形特性,提出了一种考虑复杂抗剪强度和多种接触状态的三维动接触力算法。将该算法应用于金川地下厂房,研究其受陡倾角断层F31影响下的地震破坏特性。结果表明:考虑接触面和震动劣化效应后,洞室的地震反应增大,围岩和断层的错动更加明显,且发生一定深度的脱开、滑移破坏;陡倾角断层在主厂房高边墙切割出围岩厚度较薄的薄弱区,产生较大的变形和损伤,在上下游边墙分别易发生向洞内的弯曲倾倒变形和滑移变形;围岩和断层接触面的滑移脱开区分布随地震过程动态变化且不断向深部延伸,其中拱座和岩锚梁部位的脱开区范围较大。数值结果揭示了陡倾角断层下地下洞室围岩的动力破坏机制,可为抗震设计提供参考。

摘要：由于地下岩体条件复杂,渗流监测数据缺失现象普遍存在。为了在时间和空间上对地下渗流场进行全面分析,需要对缺失数据进行补充。提出了三类缺失数据的插补方法,对时间序列、空间断面以及区域整体的缺失数据分别用监测统计模型、物理因子修正和反演进行了有效的补充,反映了缺失数据的规律和时间、空间因素对监测数据的影响,最终可得完整、全面的渗流场,并通过反演渗流场对渗透稳定进行判断,为工程评价提供了依据。将该方法用于天荒坪电站缺失数据的插补,结果有效地插补了缺失数据,最终的反演渗流场能够判断渗透破坏可能发生的部位,对工程加固措施具有指导意义。

摘要：近年来随着地震灾害的频繁发生,强震区的地下结构屡屡遭受破坏。长大隧洞作为中国实施西部大开发战略的重要基础工程,其抗震安全问题尤为突出。通过引入增量动力分析(IDA),结合地震易损性分析方法,提出基于损伤系数指标的隧洞结构抗震性能评估方法。该方法以震后衬砌结构特征部位的损伤系数为性能参数,以地震峰值加速度为强度参数,并建议了适用于隧洞结构抗震安全评价的5级震害划分标准和4级抗震性能水平。针对某隧道工程实例,通过大量非线性动力时程计算,得到了各抗震性能水平下衬砌结构特征部位的地震易损性曲线,进而分析了不同抗震设防水准下衬砌结构发生破坏的概率。结果表明:在8度多遇地震作用下,衬砌结构基本无破坏;在8度设防地震作用下,拱腰处于基本完好状态的概率为87.6%,处于轻微破坏状态的概率为10.72%;在8度罕遇地震作用下,拱腰处于轻微破坏状态的概率为68.7%,处于中等破坏状态的概率为20.8%。在横向和竖向地震动输入下,衬砌结构特征部位的抗震性能由小到大依次为拱腰、拱肩、拱脚、顶拱和仰拱,拱腰、拱肩和拱脚为抗震设计的薄弱部位。该方法较好地考虑了地震动的随机性,可为隧洞结构抗震安全评价提供一种有效思路,研究成果也能为隧洞结构的抗震减震设计提供参考。

摘要：针对混凝土循环荷载作用下的率相关性和疲劳损伤特性,提出考虑拉、剪损伤各向异性的混凝土动力本构模型,并推导出损伤变量动态演化方程;针对围岩与衬砌动力相互作用特点,提出考虑围岩与衬砌非连续变形的显式动力有限元积分方法;由此,构建地下厂房混凝土衬砌结构动力响应分析方法,并将该方法应用于映秀湾水电站地下厂房抗震稳定计算。衬砌结构各部位在地震下处于同步震动状态,其中衬砌顶拱应力和位移波动幅度较大;主厂房衬砌顶拱与边墙最大相对位移达到1.6 cm,说明主厂房发生了较为明显的结构变形;衬砌结构损伤区主要分布在顶拱处,其中拉裂损伤造成的损伤破坏较为严重;围岩对衬砌结构的约束作用有助于衬砌结构的抗震稳定性。应用上述方法所得的计算结果较为合理地反映了衬砌结构动力响应特征,可为地下厂房混凝土衬砌结构抗震设计提供参考。