基于粘彈性人工邊界和接觸面對法的地下管道地震動力學(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接觸面的選擇和土層人工邊界的選擇影響，對于動接觸面我們從理論推導(dǎo)和有限元模擬出發(fā)得出接觸面對法對于處理地震中非連續(xù)問題具有更好的精度；對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。在邊界與動接觸問題解決基礎(chǔ)上完成管道易損性和接觸分離問題的分析。
邊界等效
對于土體邊界采用粘彈性人工邊界較為常見，但是在研究中對粘彈性邊界推導(dǎo)分析發(fā)現(xiàn)存在非保守風(fēng)險，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。對于土體與管道的動接觸面，考慮到接觸面在地震荷載下存在斷裂、非連續(xù)性，并結(jié)合有限元分析比對接觸面對法、整體法、拉格朗日法等，最終選定接觸面對法。
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；針對此現(xiàn)象對位移分布、時程應(yīng)力變化等進(jìn)行切片分析和橫向、縱向比對，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個觀察點(diǎn)的時程應(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型為在0.6-0.8s間迎來小峰值后有較小衰減，之后迎來應(yīng)力快速增長，最終在1s時達(dá)到峰值。
- 隨著地震加速度上升，由于應(yīng)力時程分布的差異性B節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力呈現(xiàn)追趕A節(jié)點(diǎn)趨勢，并在a>7.71m/s^2時，水平向管道交叉節(jié)點(diǎn)危險與水平-豎直管道交叉節(jié)點(diǎn)；從時程、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)。
