【摘要】：為推動能源清潔低碳化轉(zhuǎn)型,加快實現(xiàn)非石化能源比重的發(fā)展目標,我國提出了超前謀劃水電等清潔能源的發(fā)展布局,并在西南和西北地區(qū)規(guī)劃和開工建設(shè)了一批高壩大庫,其中高土石壩等土工構(gòu)筑物約占50%。但由于我國西南和西北地處活躍地震帶區(qū)、強震頻發(fā)、對結(jié)構(gòu)潛在破壞力強,一旦強震導(dǎo)致的高壩破壞將產(chǎn)生難以估量的失事后果及次生災(zāi)害,嚴重威脅國民生命財產(chǎn)安全及地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展,使得我國高土石壩等土工結(jié)構(gòu)的抗震安全問題尤為突出。因此,確保工程平穩(wěn)運營,開展地震安全性能評價研究具有重大的理論和工程意義。精細化可進一步提高分析的合理性和準確性,是國內(nèi)外數(shù)值分析的必然趨勢。由于此類構(gòu)筑物地形條件和結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且同時考慮結(jié)構(gòu)-無限地基、材料界面相互作用等問題,對精細化分析提出了較高的要求,因此高土石壩等土工構(gòu)筑物在精細化分析研究方面成果很少。此外,此類工程體量龐大(一般高度超過百米,長和寬超過1公里),同時存在著防滲面板、防滲墻等關(guān)鍵的小尺度部件(最小厚度約0.3m),結(jié)構(gòu)自身尺度相差十分懸殊(可達數(shù)百倍至千倍),使得采用傳統(tǒng)技術(shù)難以高效地建立精細的分析網(wǎng)格。因此,發(fā)展能準確描述結(jié)構(gòu)關(guān)鍵核心部件損傷破壞過程的跨尺度網(wǎng)格離散和分析技術(shù),對高土石壩等進行精細化抗震分析研究,具有重要研究意義和工程應(yīng)用價值。本文結(jié)合國家重點研發(fā)計劃“強震作用下特高土石壩多耦合體系損傷演化機理及安全評價準則研究”,國家自然科學基金“極震荷載下筑壩堆石料變形特性及特高堆石壩極限抗震能力研究”和重要水利水電工程“如美高心墻堆石壩計算研究”、“考慮壩-基-庫水體系相互作用的大石峽水利樞紐工程面板壩三維非線性靜、動力精細化有限元分析”、“新疆阿爾塔什水利樞紐工程混凝土面板堆石壩專題研究”等。針對大型土工構(gòu)筑物靜-動力分析和抗震安全評價存在的網(wǎng)格精細化、非線性等計算分析問題,基于比例邊界有限元(Scaled Boundary Finite Element Method,SBFEM)理論,主要開展了下述工作:(1)采用高效的四分樹/八分樹離散技術(shù)進行結(jié)構(gòu)跨尺度精細網(wǎng)格生成,并開發(fā)了單元格式轉(zhuǎn)換等相關(guān)配套處理程序,實現(xiàn)了操作簡便、低人力成本、易修改的精細化模型生成,解決了以高土石壩為代表的大型復(fù)雜巖土工程結(jié)構(gòu)網(wǎng)格精細化、高效離散的問題。(2)引入多邊形平均值函數(shù)插值多面體邊界面單元,通過SBFEM彈性理論推導(dǎo)獲得半解析的單元形函數(shù)和應(yīng)變位移矩陣,發(fā)展了三維比例邊界復(fù)雜多面體單元,可求解傳統(tǒng)方法難以直接計算的八分樹單元,提高了分析方法的靈活性、通用性和魯棒性,實現(xiàn)了工程結(jié)構(gòu)跨尺度精細化分析。(3)采用邊界高斯積分點和常剛度矩陣,構(gòu)造單元形函數(shù)和應(yīng)變位移矩陣;然后在比例邊界單元域內(nèi)增加積分點求解協(xié)調(diào)矩陣、剛度矩陣和應(yīng)力積分等,發(fā)展了可用于彈塑性分析的比例邊界二維多邊形及三維多面體單元,解決了傳統(tǒng)SBFEM難以進行非線性分析的問題。(4)聯(lián)合平均值多邊形插值和界面單元理論,構(gòu)造了空間多邊形三維界面單元,解決了傳統(tǒng)Goodman單元難以直接求解多面體單元界面的問題,與前述工作共同集成了可考慮無限地基-土體-界面-結(jié)構(gòu)相互作用的全體系跨尺度精細化分析方法。(5)采用面向?qū)ο笤O(shè)計方法和單元封裝技術(shù),抽象出SBFEM與FEM單元構(gòu)造的共同屬性,統(tǒng)一了兩種數(shù)值分析方法程序開發(fā)接口,在課題組GEODYNA有限元軟件平臺上集成了新發(fā)展的數(shù)值算法,實現(xiàn)了基于單元庫的SBFEM-FEM無縫耦合計算;根據(jù)八分樹離散的正方體單元具有幾何相似的特點,提出了高效的非線性相似單元加速技術(shù),顯著改善了大規(guī)模彈塑性精細分析的求解效率。本文發(fā)展的跨尺度精細化分析方法己成功應(yīng)用于如美(世界最高心墻壩,315m)、大石峽(在建最高面板壩,247m)、三澳核電等十余項重大水電、核電工程,并拓展應(yīng)用于地鐵結(jié)構(gòu)的地震損傷破壞評價,具有很好的推廣應(yīng)用前景。 【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TV223

【圖文】：

３）大型地下結(jié)構(gòu)逡逑合理開發(fā)利用城市地下空間，是優(yōu)化城市空間結(jié)構(gòu)和管理格局、緩解城市土地資源逡逑緊張的必要措施；對于推動城市由外延擴張式向內(nèi)涵提升式轉(zhuǎn)變，改善城市環(huán)境，建設(shè)逡逑宜居城市，提高城市綜合承載能力具有重要意義［７］。當今各大城市的地下停車場、地下逡逑商場、地鐵系統(tǒng)等為國民的休閑、娛樂、出行等方面帶來了極大的便利，是人們必不可逡逑少的城市基礎(chǔ)配套設(shè)施。本節(jié)以地鐵為例說明當前地下結(jié)構(gòu)的規(guī)劃建設(shè)情況，從而窺探逡逑地下空間結(jié)構(gòu)開發(fā)的巨大前景。逡逑地鐵，作為當代城市最為明顯而標志的現(xiàn)代建設(shè)之一，體現(xiàn)了一座城市的發(fā)展程度，逡逑是人們出行不可缺少的交通工具之一。截止２０１８年１０月，我國北上廣深等３６座城市逡逑己開通地鐵并繼續(xù)大規(guī)模發(fā)展（參見圖丨．３）；常州等２０座城市正在修建地鐵；除此之逡逑外還有４４座城市正在規(guī)劃修建地鐵［７１。上述數(shù)據(jù)充分說明未來１０年左右，我國地卜＇簾逡逑間的開發(fā)力度將持續(xù)增加，投資力度亦將創(chuàng)歷史新高；各城市地下重大工程的興建亦在逡逑緊鑼密鼓地開展１７］。逡逑

１．１．２大型巖土工程精細化分析必要性逡逑我國位于世界兩大地震帶：環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，由于受太平洋度板塊和菲律賓海板塊的擠壓，地震斷裂帶十分活躍（參見圖１．４）。２０世紀國共發(fā)生６級以上地震近８００次，遍布除貴州、浙江兩省和香港特別行政區(qū)以外省市區(qū)，我國地震活動頻度高、強度大、震源淺、分布廣，是一個名副其實的地極為嚴重的國家１９】。１９００年以來，，我國死于地震的人數(shù)達５５萬之多，占全球地人數(shù)的５３％；邋１９４９年以來，我國２２個�。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）遭到１００多次地震

【參考文獻】

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本文編號：2711913