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第 20 卷  第 4 期          中国水利水电科学研究院学报(中英文)                                    Vol.20  No.4
                   2022 年 7 月  Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research  July,2022



               文章编号:2097-096X(2022)04-0287-08

                                 基于点面接触的三维结构地震接触模拟


                                         钟 红,郭胜山,涂 劲,李德玉,王海波

                                      (中国水利水电科学研究院 工程抗震研究中心,北京               100048)

                 摘要:工程结构包括拱坝、岩质边坡等在强地震作用下可能沿结构面、节理面等产生滑移,对接触面的模拟关乎
                 结构抗震安全评价的可靠性。本文针对结构在地震作用下接触面产生较大滑移的情况,提出采用点面接触模型和
                 动接触力模型进行模拟。推导了适于点面接触的动接触力模型公式;采用主从接触算法,通过全局搜索缩小搜索
                 范围,在局部搜索层次基于内外算法确定接触点对,避免经典点面算法中存在的盲区问题,提高搜索判断的精度
                 和效率。采用经典楔形体稳定问题对本文模型进行了验证,通过施加地震激励研究其动力稳定性,并将点面接触
                 和点点接触的计算结果进行比较,发现前者获得的结构响应大于后者,且其差异随着地震加速度幅值的增大而增
                 大。进一步将该模型应用于拱坝的地震响应分析,结果表明对于相对较小的地震,两种接触模型计算结果基本一
                 致;但对于超强地震,横缝发生较大相对位移,点点接触模型的计算结果偏小,对应力值的低估更为明显。总的
                 来说,对于结构在强地震作用下产生较大滑移的情况,采用点面接触模型可更好地反映实际情况。
                 关键词:接触模拟;地震;点面接触;动接触力模型;楔形体稳定;拱坝;横缝
                 中图分类号:TV312                 文献标识码:A                        doi:10.13244/j.cnki.jiwhr.20210143


               1  研究背景


                   接触问题是土木水利工程中的重要非线性问题。工程地基中存在大量的节理、裂隙和断层等不连
               续面,在外荷载尤其是地震作用下可能产生相对滑移和错动                           [1-3] 。混凝土拱坝中设置有横缝,强震时可
               能张开从而引起应力重分布,拱向应力释放而梁向应力增加                            [4-9] 。对工程结构-地基系统在地震荷载作
               用下可能出现的接触问题进行准确的模拟,影响到结构抗震安全评价的可靠性,直接关系其抗震安全。
                   在基于有限元方法的接触问题模拟中,接触体经有限元剖分后,其表面被离散化为多边形边界
               单元集,接触体之间的接触相互作用转化为离散的分片光滑的表面接触单元作用,产生接触作用的
               点对即为接触点对。对于工程结构在地震作用下的接触分析,由于接触体之间可能出现大滑移、大
               转动,使得在问题解决之前无法预知其局部接触状态,如何有效、准确地搜索出每一时刻的接触点
               对成为接触问题求解的关键。在结构产生大滑移的情况下,初始构型发生变化,接触点对位置相应
               发生变化,小变形接触算法中常用的点点接触(Node-to-Node,NTN)模型是不成立的                                 [5-9] 。主从算法
               采用点面接触(Node-to-Segment,NTS)方式进行搜索,由于能实时捕捉接触位置,在大变形接触搜
               索中被普遍采用,而且被认为是比较有效的搜索算法之一                           [10-12] 。
                   本论文将点面接触模型引入基于动接触力法的接触模拟分析,实现了对三维结构地震大滑移接
               触的模拟,并与点点接触模型进行了比较研究。



               2  接触搜索

                   接触搜索的任务是找出系统中的测试对,然后针对每个测试对确定其接触状态,包括接触、贯
               入、脱开。对于接触和贯入的情况,测试对已经转变为实际的接触对,还要找出接触点及贯入量。


                  收稿日期:2021-06-16;网络首发时间:2022-01-14
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                  网络首发地址:https:/kns.cnki.net/kcms/detail/11.5020.TV.20220114.1000.002.html
                  基金项目:国家自然科学基金项目(51979292)
                  作者简介:钟红(1981-),博士,教授级高级工程师,主要从事工程结构抗震研究。E-mail:zhonghong@iwhr.com
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