ADINA在水利工程中的应用

土 体的 固结沉降分 析
、 、
材料模 型
,
丰
在各种 工 程 问题 中得到广 泛应用
、
例如
堤 坝开 挖 及 回填对 土 体 的扰动 问题
。
混 凝土 坝的渗流分 析
、
钢 筋 混凝 土 结构
,
徐变分析 坝体 的强 度 及 稳定 性分析等等
提供 的材料模 式 能够完好真实的模 拟 土 体等材料
,
例 如其 中的混 凝 土 材料模 式不 仅 可 以模 拟混 凝 土
非线性分析功能
触 非线性 等
。
工
能够有 效地 考 虑各 种 非 线性 效应
,
,
包 括 几 何 非线性
,
、
材料非 线性 接
,
、
由于 土 木结构方 面 的材 料非常 复杂
,
包 括 混凝 土 材料
,
钢筋混 凝 土材 料
,
岩石 材料 及
各种 土 体材料 因此 一 般都 需 要进行材料 非 线性 分析 弹性
、
,
分 析 在 线弹性假 定 下 各 种 土 木 结构 在
一 定边 界 条件和载 荷作 用下 的 应 力
。
中用 户 可 以根据 需 要 施 加 各种载荷
,
荷载可 以随时 间和 空 间位置 的变化 而 变化
等
。
即 载荷 可 以是 时间和 空 间 的 函 数
。
如静水 压 力
,
波浪力
可 以根 据实 际 清况 考 虑任 意荷 载工 况 和 荷 载工 况 组 合
、
中 土 体 的骨架材料 可 以是任意 一 种 线性 非 线性材料 或用户 自定义 材
。
,
料 空 隙水 的属 性参数主要是 各 方 向的渗 透系数 图
程 中某 时刻 空 隙水 压 的分 布情 况
,
为一 固结沉 降计算得到 的空 隙水压 力 消 散过
,
图
,
为固结沉 降中土 体 的沉 降分 布 分析模 型 中有三 层 土 体 均
。
的 求解技 术
,
给出了
在水 利 工 程 计 算 中的部分 工 程 结 果
关键词
多物 理 场
水利工程
应 用 实例
一
四
,
一
一
,
一
,
,
一
最 早 出现于
年 最 初作为公共 代码 在 世 界范 围内传 播 经 过几 十年 的发展
,
、 、
,
,
,
无论 在前后 处 理 还 是 在求解功能上 都有 了 巨 大的发展 固藕合等复杂 问题
。
、
渗流 问题
专 利高校 的 非线性 求解算法保 证 了
其求解的快速性及 精确性
在藕合场分析方面 其它软件 望 尘 莫及
, ,
直 到现 在
、
的流 固藕 合功能仍 然位居 全球第一
,
,
其 求解速 度 之 快令
,
内置有 流 体 结构直 接藕合求解器
,
更 准确地 求解流 固藕合 问题 为各
,
种藕 合分析提供完整 的解决方案
首届全 国水 工 抗震 防灾学术会议 论 文集
在 水利 工程 中的应 用
葛孝 月
王 学超
北京 技术 部 北 京
摘
工
要
本 文 首先 全 面 介 绍 了 大型 通 用 有 限元 软 件
,
的非 线 性 及 多物 理 场 分 析 功 能
工
,
总结 了
在 水 利 土 木 工 程 分析 中的特点 和 优 势 结 合 工 程 实例 以 及
而对 于
。
,
大跨度的桥梁 渡槽等结 构 可 以采用 多点输人 的反 应谱进行 分 析 以反应地震 时 的实 际情 况 另 外 随机 振动分析 也是一 种谱分析
温度应力 分析
,
,
用 于 研 究结构对随机 激励 的响应
。
主要用 于 结 构 由于 温 度 场 的变化产 生温 度应力 的计 算分 析
,
在 土 木行 业 中应 用
。
的附加应力 和变形
,
以及 在 冻土 施工 中模 拟冻土 随温度变化材 料特性发生变化 等
一
,
流 固藕合分析
是 全 球领先的流 固藕合求解器
。
,
可将
,
结构和
流
体 的功能 完全 融合在 一 起
独 立 划分
,
而 且计算速 度 很快
在
的流固藕合分析 中
、
流体和结构 的 网格
界 面 上 的 网格 不 需 要 一 致
也适用 于 模 拟岩石 材料
。
该材料模 式可 以描述材
包 括材
料非线性应 力应变关系
、
,
同时可 以考 虑材 料软化
、
、
模拟滞 回特 性
、
模 拟 材料 失效后 的性 能
。
料开 裂后 性能 压 碎后 性能 应 变软化性 能
松 比通 常 为常量
,
以及 考虑温 度作 用 的 影 响等
另外
,
,
虽 然 混 凝 土 的泊
相 当广泛
,
例 如大 体积 混 凝 土
各种水 坝
,
、
箱筏基础 浇注 施工 过程 中 为防止 水化 热引起 的温 度
,
变化在结构 中产生过 大 温度应力
需要 进 行 温 度分 析以合理安 排施 工 浇注 的顺 序
模 拟水坝等大型
重 要 结构 随 日照变化 而 产 生 的不 均 匀温度应 力
模拟大跨度钢 筋混凝 土 结构在 由于 温度 的变化 引起
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法
,
如
单 元可 以很 方便 的处 理 混凝土 中的钢筋
、
钢筋 预应 力及 预应 力 损耗 等 问题
单元生死
功能可 以很 方便 的用 于 模 拟模 型 中物质 的增 添或删 除
程分析
,
如 隧道开挖
、
大 坝 浇注
、
管道 添埋 等施工 过
多孔 介质算法 可 以用 来 求解 固结沉 降 问题
的分 析 功 能
工
可 以求解线性
、
、
非 线性 动力 学
、
、
流 固藕 合
、
渗 流分 析
、
混 凝 土 浇 注分 析 等 多方 面 的 工
。
程 问题
,
特 别 是 在非线性
动力 学 及 流 固祸合 分 析 等方 面具有 明显 的优势
,
、
线性分 析 功能
线性 静力分析 是最 简单的一 种分析类型 变形等 的分 布 在
、
、
,
专用的混 凝土 材
,
料本构
,
弹性模量
、
泊松 比
、
、
热膨胀系数
、
破坏应力等值可 以随温 度发 生 变化
,
考虑 了环 境 温度的
,
对流散热
浇筑顺序
水化 热等 因素的影 响
。
图
给 出了拱坝浇筑完成后整体 的温 度分布情 况
图
给 出了拱 坝在 顺河道 方 向上 的位移分布
图
为某 工 程 中拱坝的 尺 寸 图 以及 截面 形状 该拱坝运 行 了
、
混 凝 土 长 期 徐变
多孔 介质材料
固结 沉 降 渗流
专 用 渗流材料
随时间变 化 材料
混 凝 土材
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料配制研 究 考虑浇注后 的硬 化
,
、
弹粘塑性模型 用于 模 拟岩 土 的流变特性
一
、
即
一
考
。
虑徐变 的混凝土 材料模 型 以及土 石坝分析 中国 内广 泛解功能使得
。
,
尤其 是 渡槽 中水体 的 振荡对槽 体产生 的 附加 水压 力 至 关重要
,
往
往 决 定 了 结 构安 全 性 能 的好坏 的最 大侧 向变 形 度 的要求
, ,
在 验 证 渡槽结构 是 否 合 乎安全 性要求时
,
重 点研 究 地 震 作用下 槽体
下 部 支承 构件 是 否 安 全 有效
以及渡槽结构 在扭 转作 用 下 槽体结构能否 满足 抗裂
。
槽 体 之 间 的止 水缝 设 计 是 否 安 全有效 等
,
图
给 出 了渡槽 的三维 网格及 截 面 网格
,
,
图
为地 震 过程 中某一 时 刻
渡槽及 液体 某 截面 的位移分布情 况
由 图 中也可 以看 出液 面 在 地 震 中有很
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大 的波动
,
从 而对 渡 槽结构产生 影 响
图
浇筑完成后 拱坝整 体 的温 度 分布 情 况
图
拱坝顺 河 道方 向位移分布
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图
面板 堆石坝 截 面示 意
,
图
剪应力 一 时 间 曲线
,
渡槽是一 种重 要 的水 工 结构
大的特 点
,
对于 渡槽结构
,
无论采用 何种结构及 支承形式
都 具 有 顶部质量
,
对结构 抗震 十分 不 利
,
,
年后 出现裂纹 现在 为 了评估其
,
安全性能
进行地震荷 载作 用 下 的 时程分析
,
图
为存在裂纹 的截面 时程 分析过程 中不 同时间点的
。
,
情况
,
图
为地 震过程 中裂纹各处的大小 与时间的 关系 曲线 分析 中建立 了 三 维实体模 型
,
用六 面
体 网格进 行 了模 型 的划 分
图
施加 了水压 力
一
,
,
、
、
,
曲线描述 的地质 材料
、
、
川
、
一
,
材料
、
一
材料
、
材料
,
、
混凝 土 材料
工
徐变模型
多 孔 介质 材 料
是 土 木 方 面 材料 模 式 最 多
,
的有 限元 软件
另外
拥有 完善 的二 次开 发性能
。
,
如 允许用 户 自行定义 材 料
并且 在 自定义
材料 中可 以直 接祸合 温度 自由度
为 了 更好的解决 土木 方 面 的 问题 采用 了很多特殊处理 方
但 根 据试验结果表 明 混凝 土 的应力超 过 最 大应力 的
。
以后
材料 泊松 比会 发生
变化
,
因此
,
程 序 中允 许分析 中材料 性能发生 变化 包 括瞬态 动力 学 分 析
,
、
动力 分析
模 态分析
、
谐波响应 分析
,
、
响应谱 分析
、
随机 振动分 析
。
在瞬态 动力学 方 面 应
,
提供 了 隐式和显 式求解技术 用 于 求解结 构在 动态 载荷作用 下 的响
,
如地震作 用 下 结构的反应 对于 模 态分析
,
波浪冲 击对 坝体的影 响等
,
。
确定结构 固有频率及 振形
阻 尼 等多种情 况
。
分析 中可 以考虑多种 载荷条件 和边 界 条件
,
例如完
全 自由
、
重力 作用
、
可 以分析 固液藕 合体 的特征模 态 和频率
例 如考虑水 的 附加
质量 对坝体 振动频率 及 振型 的影 响
。
。
分析 中
,
考虑 了非 线性材料
、
水体 与渡 槽结构的藕合
、
水体
液面 自由波 动等 因素
图
渡槽 的三 维 网格 图及 截 面 网格
,
图
地震 中某 时 刻位移分布 及 液面波动情 况
,
在进行土 体的 固结及 渗流 计算时 必 须考 虑土 体 的多孔介质 属 性
最基 本 的问题 之一
,
。
固结沉 降分析 是 岩 土 工 程 中
被广 泛应 用 于 大坝
,
、
渡槽等各个 工 程 领 域
常 用 的藕 合 问题包 括
,
地震 载荷 下 动水对坝体 的冲 击作 用
风 振或地 震 作 用 下 渡槽 与 水 体 的相互 作用
。
混 凝 土 浇注过程 中
由于 水化热而导 致 的温 度应力分 析 等
工 程分 析 应 用 实例
图
、
为某 工 程 混 凝土 拱坝浇筑过程 中温度 应力的分 析计算 使用
工
谐 响应分析 可 以分析结构在 各种周 期 荷载作用 下 的响应
,
,
计 算 载荷频率对结构 的影 响
。
响应谱分析方 面 应谱输人
。
可 以分析 结构在反 应谱 的作用 下 的响应
,
,
可 以考 虑单点反应谱 输人和 多 点反
,
例 如 一 般 结构反应 谱 分析 中
、
由于 场地 比较小
,
可 以考 虑采 用 单点反 应 谱 输人
中间一 层 土 体 的渗透 系数 较 大
。
,
为非线性材料
,
渗透系数 也各 不 相 同
、
结
程 序 很早 已 经 出现 至 今 在计 算理 论 以及 求解技术 上 已经 取 得 了 巨 大发展 在 非 线性
,
,
包 含 材料
、
接触
、
初始 应力 等非线性 因素
。
为某一 面 板堆石 坝的截 面 示 意 分析 该面 板堆石 坝在地 震 荷载作 用 下 的响应情 况 分析 中
、
,
考虑 了材料非线性
面 板 与堆石 之 间的接触 以及 水 压 力 等
。
。
图
为地 震 过程 中面 板 与堆石之 间某处
的剪应力与时 间的关系 曲线
大型渡
槽结构在地 震 作用 下水 体与结构相互 作用 问题 等
。
软件 在 工 程 分 析 中 的特点
、
优势
在 工 程分析方 面 的最大 优 势 主 要表现在 以下两 个 方 面
在非 线性 计算 方 面 水利工 程 中的材料 一 般均 为非线性材料 如 混 凝土 粘 土 岩 石 等等
提供多种专用 于土 建方 面的材料
提供 了 多 种 材 料模 式
工
除 了通 用 的 线
弹塑性
一
、
粘弹
、
粘塑
、
、
蠕变等材料 模 式 外
一
,
还 提 供 多 种 专用 于 土 木方 面 的材 料 模 式 材料
材料
、
材料
带
、 、
一
、
粘 土地 基
、
曲线描 述 的 粘 土 材料
、
输人 试 验 曲线 专用 模 型
、
混凝土材 料
钢 筋 单元
徐变 模型 岩 土
。
可 考 虑 自由液面运 动
移动 壁 面 问题
当流 体 区 域发 生 变化
,
时可 进行 网格 重划 分 桥 梁的风 振抖颤 问题
强 大 而快 速 的求 解能力 使 其在土 木行 业 中具 有 相 当广 泛 的应 用