大型地下洞室群动力时程分析方法研究与应用

第一章 绪 论 ……………………………………………………………… (1)

1. 1 研究背景 ……………………………………………………………… (1)

1. 2 研究现状 ……………………………………………………………… (4)

1. 2. 1 三维地震波动场的求解 ……………………………………… (4)

1. 2. 2 人工边界的设置 ……………………………………………… (9)

1. 2. 3 抗震支护措施模拟 …………………………………………… (10)

1. 2. 4 地震灾变过程中洞室群围岩稳定评判准则………………… (11)

1. 3 研究内容……………………………………………………………… (12)

第二章 三维地震波动场的有限元求解 ……………………………… (14)

2. 1 有限元积分格式的选择……………………………………………… (15)

2. 1. 1 网格坐标描述选择 …………………………………………… (15)

2. 1. 2 求解方式选择………………………………………………… (16)

2. 1. 3 拉格朗日法选择……………………………………………… (18)

2. 2 更新拉格朗日显式有限元程序设计………………………………… (18)

2. 2. 1 波动微分方程显式求解……………………………………… (18)

2. 2. 2 率本构积分算法……………………………………………… (20)

2. 2. 3 主要变量求解………………………………………………… (22)

2. 2. 4 更新拉格朗日显式有限元程序实现………………………… (26)

2. 2. 5 程序验证……………………………………………………… (27)

2. 3 工程岩体动力弹塑性损伤本构模型………………………………… (28)

2. 3. 1 地震动荷载作用下围岩特性………………………………… (28)

2. 3. 2 地震动荷载作用下围岩弹塑性损伤本构的建立…………… (31)

2. 3. 3 弹塑性损伤本构的显式有限元计算方法…………………… (39)

2. 3. 4 程序验证……………………………………………………… (41)

2. 4 显式动力有限元计算机高效求解…………………………………… (43)

2. 4. 1 显式动力有限元的并行计算………………………………… (44)

2. 4. 2 单多高斯点混合积分………………………………………… (54)

2. 5 本章小结……………………………………………………………… (63)

第三章 动力时程分析中地下洞室群的人工边界 ………………… (64)

3. 1 人工边界概述………………………………………………………… (65)

3. 1. 1 全局人工边界………………………………………………… (66)

3. 1. 2 局部人工边界………………………………………………… (66)

3. 2 地下洞室群人工边界的有限元实现………………………………… (68)

3. 2. 1 粘弹性人工边界……………………………………………… (69)

3. 2. 2 自由场人工边界……………………………………………… (76)

3. 3 地下洞室群人工边界的设置………………………………………… (82)

3. 3. 1 竖直入射时人工边界的设置………………………………… (83)

3. 3. 2 斜入射时人工边界的设置…………………………………… (91)

3. 4 本章小结 …………………………………………………………… (100)

第四章 动力时程分析中地下洞室支护分析方法 ………………… (101)

4. 1 锚杆支护模拟 ……………………………………………………… (101)

4. 1. 1 锚杆作用机理及力学模型 ………………………………… (102)

4. 1. 2 锚固单元动力显式有限元计算方法 ……………………… (106)

4. 1. 3 工程实例 …………………………………………………… (110)

4. 1. 4 小结 ………………………………………………………… (114)

4. 2 地下厂房结构的抗震计算 ………………………………………… (115)

4. 2. 1 三种抗震设计方法介绍 …………………………………… (116)

4. 2. 2 映秀湾地下厂房结构震害调查 …………………………… (119)

4. 2. 3 计算分析及比较 …………………………………………… (122)

4. 2. 4 小结 ………………………………………………………… (127)

4. 3 本章小结 …………………………………………………………… (128)

第五章 动力时程分析中地下洞室群前处理技术探讨…………… (129)

5. 1 地震动荷载 ………………………………………………………… (129)

5. 1. 1 地震动三要素 ……………………………………………… (130)

5. 1. 2 设计地震动 ………………………………………………… (134)

5. 1. 3 地下洞室群输入地震波时程 ……………………………… (137)

5. 2 有限元建模 ………………………………………………………… (140)

5. 2. 1 显式动力有限元网格的尺寸要求 ………………………… (140)

5. 2. 2 显式有限元计算中隐含断层模拟 ………………………… (144)

5. 3 本章小结 …………………………………………………………… (153)

第六章 地下洞室群动力时程计算前后处理软件设计…………… (154)

6. 1 有限元系统基础类库的设计 ……………………………………… (154)

6. 1. 1 动态链接库的概念 ………………………………………… (155)

6. 1. 2 地下洞室三维有限元系统基础类库的内容 ……………… (155)

6. 1. 3 基础类的设计 ……………………………………………… (157)

6. 2 地下洞室面向对象的前处理程序设计 …………………………… (172)

6. 2. 1 地下洞室三维有限元的可视化快速建模 ………………… (172)

6. 2. 2 锚杆锚索信息的组织 ……………………………………… (178)

6. 2. 3 OpenGL 平台下的网格显示………………………………… (181)

6. 3 有限元后处理的面向对象设计 …………………………………… (188)

6. 3. 1 地下洞室三维有限元后处理的内容 ……………………… (188)

6. 3. 2 光滑空间等值线的绘制 …………………………………… (188)

6. 3. 3 空间矢量图的绘制 ………………………………………… (195)

6. 3. 4 塑性开裂区的绘制 ………………………………………… (195)

6. 3. 5 应力分布图的绘制 ………………………………………… (196)

6. 3. 6 变形示意图的绘制 ………………………………………… (197)

6. 4 本章小结 …………………………………………………………… (198)

第七章 工程应用及围岩稳定评价…………………………………… (200)

7. 1 工程区地震波荷载确定 …………………………………………… (200)

7. 1. 1 地震波的选取 ……………………………………………… (201)

7. 1. 2 阻尼设定 …………………………………………………… (202)

7. 1. 3 滤波及基线校正 …………………………………………… (203)

7. 1. 4 入射时程荷载 ……………………………………………… (204)

7. 2 右岸地下厂房洞室群抗震围岩稳定分析 ………………………… (204)

7. 2. 1 工程概况 …………………………………………………… (205)

7. 2. 2 围岩抗震稳定分析 ………………………………………… (208)

7. 3 左岸进水口边坡抗震稳定分析 …………………………………… (225)

7. 3. 1 工程概况 …………………………………………………… (226)

7. 3. 2 围岩抗震稳定分析 ………………………………………… (227)

7. 4 小结 ………………………………………………………………… (235)

第八章 结 论 …………………………………………………………… (236)

参考文献 …………………………………………………………………… (239)__

本书针对地下洞室群抗震安全问题，以地震灾变中洞室群岩体的动力响应机理为基础，以地下洞室群动力时程分析方法为核心，以开发大型地下洞室群地震灾变模拟系统为途径，以地震灾变中地下洞室群围岩稳定优化控制为目标，通过紧密围绕三维动力时程分析方法和地下洞室群地震响应机理这一研究主线，开展了系统性的研究工作。本书是作者多年来进行地下洞室群地震灾变理论研究和程序开发的成果总结，从数值计算程序开发的角度，阐述了作者对地下洞室群动力时程计算的理论理解及创新，希望能对从事地震灾变研究和有限元程序开发的朋友提供些许帮助。