基于粘彈性人工邊界和接觸面對(duì)法的地下管道地震動(dòng)力學(xué)響應(yīng)
作者：戰(zhàn)朋禹 土木工程系；劉巍 土木工程系；汪子涵 土木工程系
指導(dǎo)老師：林家瑞 土木工程系
關(guān)鍵詞：粘彈性人工邊界；接觸面對(duì)法；有限元分析
摘要
地下管道地震響應(yīng)的有限元模擬精度受到管道與土層動(dòng)接觸面的選擇和土層人工邊界的選擇影響，對(duì)于動(dòng)接觸面我們從理論推導(dǎo)和有限元模擬出發(fā)得出接觸面對(duì)法對(duì)于處理地震中非連續(xù)問(wèn)題具有更好的精度；對(duì)于邊界我們采用粘彈性人工邊界，但是在實(shí)驗(yàn)?zāi)M和理論上我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)粘彈性邊界的參數(shù)選擇將導(dǎo)致管道受損低估，通過(guò)有限元模擬成功確定保證精度且安全的參數(shù)選擇。在邊界與動(dòng)接觸問(wèn)題解決基礎(chǔ)上完成管道易損性和接觸分離問(wèn)題的分析。
邊界等效
對(duì)于土體邊界采用粘彈性人工邊界較為常見(jiàn)，但是在研究中對(duì)粘彈性邊界推導(dǎo)分析發(fā)現(xiàn)存在非保守風(fēng)險(xiǎn)，更改參數(shù)，并結(jié)合有限元實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證參數(shù)修改的保守性。對(duì)于土體與管道的動(dòng)接觸面，考慮到接觸面在地震荷載下存在斷裂、非連續(xù)性，并結(jié)合有限元分析比對(duì)接觸面對(duì)法、整體法、拉格朗日法等，最終選定接觸面對(duì)法。
1.為參數(shù)修正前后與理論值比較圖；2.為粘彈性邊界下OPTUMG2建模；3.為ABAQUS建模以比較接觸面對(duì)法與整體法的差異性。
機(jī)理分析
在六組地震加速度作用下對(duì)于L型管壁的應(yīng)力分布研究，發(fā)現(xiàn)L型管道中，隨著地震加速度上升，管道的最易損點(diǎn)從豎向管與水平管交點(diǎn)處轉(zhuǎn)移到了水平管與水平管的交點(diǎn)處；針對(duì)此現(xiàn)象對(duì)位移分布、時(shí)程應(yīng)力變化等進(jìn)行切片分析和橫向、縱向比對(duì)，得出關(guān)于L型管道地震破壞模式相關(guān)的三條結(jié)論如下：
4.管壁179個(gè)觀察點(diǎn)的時(shí)程應(yīng)力圖；5.不同地震加速度下而得應(yīng)力分布；6.應(yīng)力分布云圖
- L型管道的節(jié)點(diǎn)破壞模式，A節(jié)點(diǎn)率先達(dá)到峰值并引起土體破壞導(dǎo)致分離，引發(fā)A處卸荷，卸荷部分有B節(jié)點(diǎn)承擔(dān)，導(dǎo)致B節(jié)點(diǎn)內(nèi)力迅速上升，達(dá)到破壞臨界，引發(fā)接觸面分離，最終節(jié)點(diǎn)力向管道中部傳遞，引起中部管道內(nèi)力上升。
- L型管道水平段的內(nèi)力時(shí)程分布為兩種類型，A型為在地震荷載施加后約0.60-1.00s達(dá)到峰值后，迅速衰減；而B(niǎo)型為在0.6-0.8s間迎來(lái)小峰值后有較小衰減，之后迎來(lái)應(yīng)力快速增長(zhǎng)，最終在1s時(shí)達(dá)到峰值。
- 隨著地震加速度上升，由于應(yīng)力時(shí)程分布的差異性B節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力呈現(xiàn)追趕A節(jié)點(diǎn)趨勢(shì)，并在a>7.71m/s^2時(shí)，水平向管道交叉節(jié)點(diǎn)危險(xiǎn)與水平-豎直管道交叉節(jié)點(diǎn)；從時(shí)程、非連續(xù)角度得出原因在于A節(jié)點(diǎn)率先到峰值，因土體破壞引發(fā)卸荷，導(dǎo)致荷載轉(zhuǎn)移至B節(jié)點(diǎn)。
