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水工结构接触问题的力学模型及其在三峡工程中的应用

作　者: 张燎军
导　师: 姜弘道
学　校: 河海大学
专　业: 水工结构工程
关键词: 接触问题接缝键槽键槽传剪模型剪切滑移模型变增量搜索法
分类号: TV31
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

水利工程和岩土工程中的接触问题十分普遍，求解的关键是建立一个反映结构接触性质的数学、力学模型。本文主要研究内容和创新点如下： 1、综述了水利工程和岩土工程中的接触问题，重点讨论了接缝的特点，特别是混凝土键槽的型式和工作特点。综述了接触问题研究发展现状及求解接触问题的数值分析方法。 2、介绍了三维接触问题的变分原理，推导了接触问题有限元计算公式，讨论了边界接触模式和接触条件。 3、提出了可以考虑初始缝隙和切向剪切滑动的“剪切滑移模型”，可以用于模拟结构与相邻物体之间接触面的力学特性。 4、在国内外首次全面地研究了单向键槽(包括三角形键槽、梯形键槽、圆形键槽)、双向键槽(双向梯形键槽)以及多向键槽(球面键槽)的构造形式、几何特征、传力方式和工作特点，推导了接缝法向初间隙与切向间隙的关系，提出了能够考虑带有初始缝隙的键槽缝的非线性本构方程式——“键槽传剪模型”。“键槽传剪模型”能够考虑键槽的方向性、键槽的形状(如斜面角等)和键槽面的抗剪能力，真实地反映在工作过程中接缝面缝隙量的变化规律和接触特征。 5、首次提出了用于求解空间接触非线性问题的“变增量搜索法”，这是一种能够保证计算过程稳定收敛的非线性仿真分析方法。针对接触区域远小于整个求解域的方程组求解，导出了一种不必重新分解整体刚度矩阵的快速求解方法。开发了水工结构接触非线性程序FCSAP。 6、结合三峡升船机上闸首工程，进行了交叉施工缝对大体积混凝土结构整体性影响的研究。通过对上闸首的纵横施工缝的布置方式、键槽形式和接缝间隙的分析，研究接缝间隙对接缝接触状态变化的影响，以及对结构应力与位移的影响，研究接缝设置及处理对结构应力与位移的影响，研究接缝的接触形式对结构应力的影响。提出了增强结构整体性的接缝设置方式及其计算方案。 7、结合三峡永久船闸工程，研究结构与地基的相互作用问题。通过计算机仿真，研究了闸首混凝土结构在施工和运行过程中，由于水化热和外界温度改变所引起的结构与岩体接触面张开度的变化规律；研究了不同结构型式对结构与岩基接触面接触状态和结构应力分布规律的影响，对第一闸首的强度、刚度进行合理的评价。8、经过多个算例和工程实践，验证了本文提出的“键槽传剪模型”、滑移模型”的正确性和合理性，提出的求解接触问题的“变增量搜索法”“剪切以及作者开发的接触非线性程序FCSAP的正确和有效性。与目前常用的部分传剪模型和完全传剪模型相比，本文提出的“键槽传剪模型”能够更正确地估计有键槽的施工缝对大体积混凝土结构整体性的影响。关键词:接触问题，接缝，键槽，键槽传剪模型，剪切滑移模型，变增量搜索法

全文目录

第1章绪论  14-39
  1．1 水利工程和岩土工程中的接触问题  14-21
    1．1．1 混凝土接缝的形式和特点  14-18
    1．1．2 混凝土键槽型式  18-20
    1．1．3 结构与岩土体的接触形式和特点  20-21
  1．2 接触问题研究的发展简况  21-23
  1．3 接触问题的数值分析方法  23-29
    1．3．1 直接法  23-26
    1．3．2 接触力学法  26-29
    1．3．3 接触面单元法  29
  1．4 接触面单元法的计算模型和本构关系  29-36
    1．4．1 两节点链杆单元  30
    1．4．2 无厚度接触面单元  30-32
    1．4．3 有厚度薄层单元  32-35
    1．4．4 摩擦接触单元  35-36
  1．5 本文的主要研究内容和创新点  36-39
第2章三维接触问题的变分原理  39-50
  2．1 接触问题的一般描述  39-41
  2．2 接触问题的基本方程  41-42
  2．3 接触问题的变分原理  42-44
  2．4 接触问题有限元计算公式  44-47
    2．4．1 有限元计算公式推导  44-45
    2．4．2 接触面单元有限元求解  45-47
  2．5 边界接触模式和接触条件的讨论  47-49
  2．6 本章小结  49-50
第3章剪切滑移模型和接触方程的快速求解  50-68
  3．1 接缝的力学性能  50-51
  3．2 Fenves接触单元模型  51-56
    3．2．1 Fenves接触单元几何特征  52-53
    3．2．2 Fenves接触单元的应力应变关系  53-54
    3．2．3 坐标变换  54-56
    3．2．4 接触单元劲度矩阵  56
  3．3 平缝剪切滑移模型  56-58
    3．3．1 接缝的常用计算模型  56-57
    3．3．2 剪切滑移模型的本构关系  57-58
  3．4 接触方程的快速求解  58-60
  3．5 算例考证  60-67
    3．5．1 边坡抗滑稳定中的接触问题分析  60-64
    3．5．2 三峡大型人字门启闭过程中的接触问题  64-67
  3．6 本章小结  67-68
第4章键槽传剪模型与变增量搜索法  68-83
  4．1 概述  68
  4．2 三角形键槽传剪模型  68-71
    4．2．1 三角形键槽法向和切向间隙的关系  68-69
    4．2．2 三角形键槽传力特点  69-70
    4．2．3 三角形键槽本构关系  70-71
  4．3 梯形键槽和双向键槽传剪模型  71-74
    4．3．1 受力特点及法向间隙和切向间隙间的关系  71-72
    4．3．2 梯形键槽和双向键槽的本构关系  72-74
  4．4 圆形键槽和球面键槽传剪模型  74-77
    4．4．1 受力特点及法向间隙和切向间隙间的关系  74-76
    4．4．2 圆形键槽和球面键槽的本构关系  76-77
  4．5 接缝仿真计算方法——变增量搜索法  77-79
  4．6 程序研制及算例考证  79-81
    3．6．1 程序研制  79
    3．6．2 键槽抗剪柱的接触分析  79-81
  4．7 本章小结  81-83
第5章交叉施工缝对大体积混凝土结构整体性的影响研究  83-118
  5．1 概述  83
  5．2 接缝初间隙对结构应力与位移的影响  83-91
    5．2．1 计算资料、计算模型和计算方法  83-85
    5．2．2 接缝初间隙对横缝和纵缝接触状态的影响研究  85-87
    5．2．3 接缝初间隙对结构应力的影响研究  87-89
    5．2．4 接缝初间隙对结构位移的影响研究  89-90
    5．2．5 小结  90-91
  5．3 接缝设置方式对结构应力与位移的影响研究  91-99
    5．3．1 接缝的设置方案  91-92
    5．3．2 计算模型和计算方法  92-93
    5．3．3 接缝设置方式对结构应力和位移的影响  93-96
    5．3．4 增强结构整体性的接缝设置及其计算方案研究  96-99
  5．4 接缝的接触形式对结构应力的影响研究  99-108
    5．4．1 计算资料、计算模型和计算方法  99-104
    5．4．2 不同接触方式对完建期结构应力的影响  104-106
    5．4．3 不同接触方式对运行期结构应力的影响  106-107
    5．4．4 小结  107-108
  5．5 本章小结  108-118
第6章结构与地基的相互作用研究  118-139
  6．1 概述  118
  6．2 温度应力对闸首边墩与岩体接触缝张开度的影响研究  118-124
    6．2．1 基本方程  119-121
    6．2．2 计算方案与计算模型  121-122
    6．2．3 温度应力对闸首边墩与岩体接触缝张开度的影响  122-124
  6．3 结构型式对结构与岩基接触状态的影响研究  124-128
    6．3．1 分析方案和计算模型  124-127
    6．3．2 结构型式对结构与岩基接触状态的影响  127-128
  6．4 结构型式对结构应力与位移的影响研究  128-132
    6．4．1 检修工况下结构型式对结构应力和位移的影响  128-130
    6．4．2 运行工况下结构型式对结构应力和位移的影响  130-132
  6．5 本章结论  132-139
第7章总结和展望  139-143
  7．1 主要结论  139-142
  7．2 展望  142-143
参考文献  143-152
作者在攻读博士学位期间发表的部分学术论文和部分科研获奖  152-153
致谢  153

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