CN111475882A - 基于abaqus岩体隧道混凝土结构地震响应数值模拟分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于ABAQUS的岩体隧道混凝土结构地震响应数值模拟分析方法，属于有限元数值模拟分析技术领域。先建立模型部件，再根据模型部件的材料属性设置材料参数；随后将模型部件组成整体；在软件组红设置分析布参数，勾选需要的场输出变量和历程输出变量；对模型施加荷载和边界条件；以加速度形式施加地震作用，为模型划分网格并设置单元格属性；最后将模型提交软件运行，获得处理结果。发明在模型的边界条件、接触关系、初始应力场和施加地震作用等细节问题上具体选择并巧妙结合，可直接用于模拟工程结构在不同岩体及不同地震波作用下的地震响应，可为评估结构抗震性能检查结构地震作用下薄弱位置的重要依据和科学支持。

Description

基于ABAQUS岩体隧道混凝土结构地震响应数值模拟分析方法

技术领域

本发明涉及一种基于ABAQUS岩体隧道混凝土结构地震响应数值模拟分析方法，属于有限元数值模拟分析技术领域。

背景技术

数值模拟又称数值分析方法，指用计算机程序来求解数学模型的近似解。有限元数值模拟方法作为数值模拟主要方法的一种，随着在计算机技术的迅猛发展，逐步应用于各类科学研究工作中。对于数值模拟方法研究隧道工程，许多学者展开过研究和探索，模拟所用软件五花八门，从常见的ABAQUS、ANSYS、FLAC、ANIDA到专业性更强的Opensees等都有涉及。虽然有限元数值分析的方法可以便捷地模拟各种工程情况进行分析，但该方法的精度受理论假设、建模技术影响较大。换言之，进行建模工作时，不同的工况需对模型边界条件，材料本构关系，有限元单元划分等关键问题作出不同的选择和处理，这些关键点处理不当，数值分析结果的精度便无法保证。具体到岩体隧道混凝土地震响应问题，就本发明涉及的参考文献而言，一些已有研究成果在模型维度、边界条件、岩土体-结构动接触和模型初始应力场等细节问题上作了一定简化，而这类简化必然对模拟结果的精确性产生一定影响。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明公开了基于ABAQUS岩体隧道混凝土结构地震响应数值模拟分析方法，其具体的技术方案为：

步骤1：根据实际工况分别建立隧道、垫层、围岩等模型部件。

步骤2：设置不同材料参数并将材料属性赋予对应模型部件。

步骤3：根据实际工况将模型部件组装成整体。具体包括如下步骤：

步骤3.1根据模型部件间相互关系将模型部件调整到对应位置

步骤3.2建立相邻模型部件的接触面的接触关系：等效单元与围岩接触面：两者间设置tie 绑定约束；围岩与被覆层接触面：两者间设置tie绑定约束；被覆层与隧道接触面，两者间通过设置面与面接触和定义相互作用描述其接触关系：第一步，确定接触面主从平面对，即被覆层与隧道相接触的两个面，其中隧道表面为主面，被覆层表面为从面；第二步，选择接触对的力学约束公式(选用罚接触方法)，和滑移公式(选用有限滑移公式)；第三步，定义相互作用属性，选用罚摩擦公式，摩擦系数设为1。

步骤4：设置分析步参数，勾选需要的场输出变量和历程输出变量。

步骤5：对模型施加荷载和边界条件。具体包括如下步骤：

步骤5.1施加荷载，荷载主要包括上覆岩土体造成的地应力、结构及围岩的重力。其中前者以预应力场形式加载在模型上。

步骤5.2施加边界条件。如：限制模型四周和底部在x、y、z三方向上的自由度，使边界符合建模选取的粘弹性边界。

步骤6：以加速度形式施加地震作用。

步骤7：为模型划分网格并设置单元格属性。

步骤8：将模型提交软件运算。

步骤9：通过软件后处理获得并整理所需的结构地震响应模拟分析结果。

本发明的有益效果是：

本发明在模型的边界条件、接触关系、初始应力场和施加地震作用等细节问题上具体选择并巧妙结合。具体表现如下：

模型的边界条件选用粘弹性边界，这是动力局部人工边界的一种，其优势在于可以约束动力问题中的零频分量,能够模拟人工边界外半无限介质的弹性恢复性能,具有良好的稳定性和较高的精度。粘弹性边界的一种实现方法是在有限元模型四周施加连续的弹簧阻尼器，本发明实现粘弹性边界的方法是在模型四周设置等效单元，该方法在已建立的有限元模型的边界上沿法向延伸一层相同类型的单元，并将外层边界固定，通过定义等效单元的材料性质使其作用等价于弹簧阻尼器单元，这种定义边界的方法在更直观，在ABAQUS软件中也更容易实现。定义等效单元属性时，本发明的一项细节处理在于通过ABAQUS软件属性模块功能定义瑞利阻尼方法实现阻尼系数的定义，这种定义方法操作简单概念明确符合相关文献(文献[2][3])中的公式要求。

模型的初始应力场采用定义面与面接触对及相互作用属性的方法。类似问题的处理中，有些模型会简单地认为接触面间共用节点或更简单地将两接触面简化为一个整体仅在材料属性上做出区别，这些处理方法往往不能正确反应模型的实际力学行为，存在较大误差。本发明将此因素纳入考虑，可以在这一方面一定程度缩小误差。

模型的初始应力场采用odb文件法输入。其基本原理是模拟分析得出模型在存在上覆岩土体应力作用下的应力应变状态并将其作为模型的初始状态进行地震响应分析。这种处理方法考虑了竖直方向存在的岩土体等对模型部分产生的影响，使得模型更加符合真实工程情况。

地震作用主要以加速度的形式施加在模型上。这种做法的好处在于操作简单，意义明确。只需通过在ABAQUS软件载荷模块对模型的加速度进行设置即可模拟地震作用。此外，该方法还便于通过修改具体参数来模拟不同地震波不同方向或不同分布条件下对结构的作用。

除此之外，初始应力场的与等效单元的具体操作方法存在一定结合，具体表现在：两者都考虑了模型周围的半无限空间对模型部分产生的影响，初始应力场主要考虑模型上部半无限空间的影响，等效单元则主要考虑模型四周和底部半无限空间的影响，两方法共同作用反应了模型的边界。

本发明可直接用于模拟工程结构在不同岩体及不同地震波作用下的地震响应，可为评估结构抗震性能检查结构地震作用下薄弱位置的重要依据和科学支持。

附图说明

图1为本发明的模型部件表

图2为本发明的围岩及隧道模型。

图3为本发明的材料参数表。

图4为本发明的C30混凝土与花岗岩参数设置图。

图5为本发明的等效单元参数设置图。

图6为本发明的模型装配图。

图7为本发明的分析步设置图。

图8为本发明的输出变量设置图。

图9为本发明的接触对设置图。

图10为本发明的边界条件设置图。

图11为本发明的接触属性设置图。

图12为本发明的预定义场设置图。

图13为本发明的地震波设置图。

图14为本发明的网格划分图。

图15为本发明的最大主应力云图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

以下将结合工况1(花岗岩场地下隧道中部在EL-CENTROL地震波作用下的地震响应)数值模拟分析案例和附图来详细地说明本发明的技术方案。

步骤1：根据实际工况建立模型部件。本发明需要建立的模型有围岩、被覆层、隧道和等效单元，如附图1所示。其中，隧道于被覆层尺寸按工程实际选用，围岩模型尺寸为80m×50m×20m，选择较大边界尺寸可以忽略边界条件导致的地震波反射等情况对模拟结果产生的影响。

步骤2：设置不同材料参数并将材料属性赋予对应模型部件，这项工作使步骤1中的模型部件具有模拟需要的物理属性，从而可以通过软件的模拟计算得到拟得出的结构地震响应，具体包括如下步骤：

步骤2.1设置混凝土材料参数，如图3所示，具体包括三种强度等级混凝土密度、弹性模量、泊松比和塑性相关参数等。塑性参数部分选择混凝土塑性损伤模型，这一本构关系使用非关联多硬化塑性和各向同性损伤弹性相结合的方式描述了混凝土破碎过程中发生的不可恢复的损伤，适用于可以用于单向加载、循环加载以及动态加载等场合。

步骤2.2：设置围岩材料参数，如图4所示，类似地，具体包括三种强度等级混凝土密度、弹性模量、泊松比和塑性相关参数等。区别主要在于塑性参数部分围岩选用摩尔库伦模型，这种本构关系对岩、土体均有良好的实用性，ABAQUS软件中主要通过设置摩擦角、剪胀角、粘聚力和塑性应变四个参数描述岩土体的材料特征。

步骤2.3：设置等效单元参数，如图5所示。本发明选用粘弹性边界，通过在模型四周及底部设置等效单元的方法模拟实际工程中岩土体半无限空间的情况。其中，等效单元密度依据围岩密度选取，弹性模量与泊松比按粘弹性单元参数相关文献给出的公式计算结果选取，创造性采用 ABAQUS中瑞利阻尼设置方法与相关文献中的阻尼系数设置对应。

步骤3：根据实际工况将模型部件组装成整体。如图6所示，具体包括如下步骤：

步骤3.1根据模型部件间相互关系将模型部件调整到对应位置。

步骤3.2：针对不同的接触面建立符合其实际情况的接触关系。本发明描述不同接触面的接触主要通过定义互相接触的接触面对及对应的相互作用关系实现。主要包括以下三个方面：

(1)等效单元与围岩接触面。两者间设置tie绑定约束，这表示围岩模型与等效单元模型实际是一个整体，只是因为模拟分析控制计算量的需要，人为地在建模时将两者分开，两接触面之间不存在相互作用。

(2)围岩与被覆层接触面。两者间设置tie绑定约束，我们认为浇筑在被覆层内的锚杆确保了被覆层与围岩的牢固绑定，是两者不发生相对滑动，故作此假设。

(3)被覆层与隧道接触面。如图9所示，两者间设置面与面接触和定义相互作用描述其接触关系。如图11所示，该步骤的具体操作通过使用ABAQUS软件相互作用模块中的创建相互作用(选择“表面与表面接触”)和创建相互作用属性(选择“接触”)功能实现。对接触对和相互作用属性的相关设置说明如下：

其一，力学约束公式选择罚接触方法，该方法基本原理是在每一个时间步先检查各从节点是否穿过主面，如果没穿透不作任何处理。如果穿透，则在该从节点与被穿透主面间引入一个较大的接触力，其大小与穿透深度、主面的刚度成正比。这在物理上相当于两者之间放置一法向弹簧，以限制从节点对主面的穿透。

其二，滑移公式选择有限滑移，这种滑移公式相较于小滑移更适合于相对滑动或转动量小的情况，而这与实际工程情况符合。

其三，定义法向接触行为采用“硬”接触，其含义是对两个接触表面之间能够传递的接触压力的大小没有任何限制。当接触面之间的接触压力变为0或负值时，两个接触面分离开来，同时解除相应节点上的接触约束。

其四，定义切向接触行为是选择罚摩擦公式。这种摩擦公式主要需要确定摩擦系数。本发明综合美国混凝土协会关于混凝土施工缝摩擦系数相关规定、混凝土接触面摩擦实验及数值模拟分析相关文献，将该值较为保险地取为1.0。

步骤4：设置分析步参数，勾选需要的场输出变量和历程输出变量。这一步骤与ABAQUS软件的工作流程相关，软件的分析工作基于一定的分析步，软件模拟分析的结果通过输出的变量值反应，具体设置如图7和图8所示，

步骤4.1设置分析步参数。分析步参数需设定分析步时长，本发明将该参数按地震波时长取值，当分析步时长短于该值时，提交作业分析运算时可能出现软件报错情况。

步骤4.2勾选需要的场输出变量和历程输出变量。ABAQUS可以在分析步模块中对模拟分析需要的计算结果项进行设置，主要分为场输出变量和历程输出变量。其中场变量输出用于描述某个量随空间位置的变化，历史变量用于描述某个量随时间的变化。本发明主要关注以下计算结果：结构的应力、应变、位移、混凝土损伤和接触应力。

步骤5：对模型施加荷载和边界条件。这一步骤中，施加荷载主要考虑地震以外其他作用对结构的影响，施加边界条件主要反映各模型部件之间的关系。具体包括如下步骤：

步骤5.1对模型施加重力荷载。该步骤考虑重力对围岩、被覆层和隧道的影响。

步骤5.2对模型施加预应力场。如图12所示，该步骤主要考虑以上覆岩土体为主的周围岩土体对模型截取部分的影响。具体实施时采用odb文件法，其原理是模拟分析得出模型在存在上覆岩土体应力作用下的应力应变状态并将其作为模型的初始状态进行地震响应分析。

步骤5.3施加边界条件。主要包含两个方面：

(1)四周于底部等效单元与围岩接触面间的tie绑定关系。

(2)等效单元外围x、y、z三方向自由度的约束使其符合粘弹性边界要求。

步骤6：以加速度形式施加地震作用。如图13所示，本发明将地震作用以加速度的形式加载到模型上。这样的做法方便控制和调节，具体表现在：

(1)可以通过调整分布一栏内容，按要求模拟地震作用在结构不同部位的不均匀变化。

(2)可以通过调整三方向自由度及幅值大小，按要求模拟来自不同方向的地震作用。

(3)可以通过调整幅值曲线，按要求模拟不同地震波作用。

步骤7：为模型划分网格并设置单元格属性。这一步骤基于有限元模拟方法原理，即：将模型划分为有限个具有一定属性子区域进行求解，网格划分如图14所示，

有限元数值模拟分析中，网格划分的尺寸是一个比较重要的问题。一般来说，网格划分越细，计算结果越精确，相对地，计算量也越大，计算机时越长。本发明根据结果精确程度需要对不同模型部件按不同尺度划分网格，其中被覆层和隧道部分按500mm间距布种划分网格，围岩及等效单元按2000mm间距布种划分网格，这种根据研究问题具体情况划分网格的方法兼顾了计算精度和计算量。

步骤8：将模型提交软件运算。

步骤9：通过软件后处理获得并整理所需的结构地震响应模拟分析结果。本发明工况1对应模拟分析所得应力云图和最大主拉应力结果见附图15和表1。

表1

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.基于ABAQUS岩体隧道混凝土结构地震响应数值模拟分析方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：根据实际工况建立模型部件，所述模型部件包括隧道、垫层、围岩和等效单元；

步骤2：根据模型部件的材料属性设置材料参数；

步骤3：根据实际将模型部件组成整体；

步骤4：设置分析布参数，勾选需要的场输出变量和历程输出变量；

步骤5：对模型施加荷载和边界条件；

步骤6：以加速度形式施加地震作用；

步骤7：为模型划分网格并设置单元格属性；

步骤8：将模型提交软件运行；

步骤9：获得软件处理结果。

2.根据权利要求1所述的基于ABAQUS岩体隧道混凝土结构地震响应数值模拟分析方法，其特征在于：所述步骤2包括

步骤2.1设置混凝土材料参数：所述参数包括三种强度等级混凝土密度、弹性模量和塑性，其中，所述塑性参数选择混凝土塑性损伤模型；

步骤2.2设置围岩材料参数：所述参数包括三种强度等级混凝土密度、弹性模量、泊松比和塑性；其中所述塑性参数选用摩尔库伦模型；ABAQUS软件通过设置摩擦角、剪胀角、粘聚力和塑性应变四个参数描述岩土体的材料特征；

步骤2.3设置等效单元参数：选用粘弹性边界，通过在模型四周及底部设置等效单元模拟实际工程中岩土体的半无限空间；其中，等效单元密度依据围岩密度选取，弹性模量与泊松比按粘弹性单元参数计算结果选取。

3.根据权利要求1所述的基于ABAQUS岩体隧道混凝土结构地震响应数值模拟分析方法，其特征在于：所述步骤3包括

步骤3.1根据模型部件间的相互位置关系将模型部件调整到对应位置；

步骤3.2建立相邻模型部件的接触面的接触关系：等效单元与围岩接触面：两者间设置tie绑定约束；围岩与被覆层接触面：两者间设置tie绑定约束；被覆层与隧道接触面，两者间通过设置面与面接触和定义相互作用描述其接触关系：第一步，确定接触面主从平面对，即被覆层与隧道相接触的两个面，其中隧道表面为主面，被覆层表面为从面；第二步，选择接触对的力学约束公式和滑移公式；第三步，定义相互作用属性，选用罚摩擦公式，摩擦系数设为1。

4.根据权利要求1所述的基于ABAQUS岩体隧道混凝土结构地震响应数值模拟分析方法，其特征在于：所述步骤4包括

步骤4.1设置分析步参数：设定分析步时长为地震波时长；

步骤4.2勾选需要的场输出变量和历程输出变量。

5.根据权利要求1所述的基于ABAQUS岩体隧道混凝土结构地震响应数值模拟分析方法，其特征在于：所述步骤5包括

步骤5.1对模型施加重力荷载；

步骤5.2对模型施加预应力场；

步骤5.3施加边界条件：四周于底部等效单元与围岩接触面间的tie绑定关系；等效单元外围x、y、z三方向自由度的约束使其符合粘弹性边界要求。

6.据权利要求1所述的基于ABAQUS岩体隧道混凝土结构地震响应数值模拟分析方法，其特征在于：所述步骤6包括：调整分布一栏内容，模拟地震作用在结构不同部位的变化；调整三方向自由度及幅值大小，模拟来自不同方向的地震作用；通过调整幅值曲线，模拟不同地震波作用。

7.权利要求1所述的基于ABAQUS岩体隧道混凝土结构地震响应数值模拟分析方法，其特征在于：所述步骤7包括被覆层和隧道部分按500mm间距布种划分网格，围岩及等效单元按2000mm间距布种划分网格。

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