沉入式大圆筒防波堤稳定性的三维弹塑性静动力数值分析

摘要

沉入式大圆筒防波堤是适应于软土地基的一种海岸结构，在波浪持续作用下土体发生软化和塑性变形累积是导致该种结构发生稳定破坏的主要原因之一。
　　 目前，大多数对沉入式大直径圆筒的数值模拟都把土体简化成弹簧元，对软土的土性考虑很少，尤其是没有考虑循环荷载下软粘土的动力特性；同时研究方法大多为静力方法，而大直径圆筒结构的受力状态、破坏形式及软土地基的土性参数在波浪作用下都具有明显的动态特征。针对现阶段沉入式大圆筒数值模拟中存在的问题，本文以有限元软件ABAQUS作为分析平台，建立了波浪荷载作用下沉入式大圆筒防波堤结构的三维弹塑性有限元-无限元-接触元非线性静力耦合分析模型及动力耦合分析模型。近场域土体采用扩展的Drucke-Prager弹塑性本构模型，用有限元模拟，远场域土体采用水平无限元模拟。在圆筒内外壁及底面与圆筒内外土体之间设置主从接触面，采用硬接触和库伦摩擦本构模型分别模拟土体与结构接触面上的法向与切向接触特性。静力模型中采用N-R方法求解，动力模型中采用接触点对搜索算法，以精确模拟土体与结构接触面的张开与闭合等非线性动接触特性，并运用显式非线性动态分析方法求解。
　　 在静力分析模型中，提出了沉入式大圆筒结构稳定性判断的四种标准，并结合算例，进行了沉入式大圆筒稳定性研究，对比了土体分别采用弹性模型和弹塑性模型及表层土体被冲刷时对沉入式大直径圆筒稳定性的影响，还提出了一种确定大圆筒倾覆转动点的方法，并分析了大圆筒内外壁的土压力分布状况。在动力分析模型中，对大圆筒结构和软土地基相互作用系统进行了模态分析，并提出以塑性变位为判断准则的大圆筒结构动力稳定性方法，通过算例对比了弹性模型和弹塑性模型的结果，弹塑性动强度衰减模型与弹塑性动强度不变模型的结果，研究了波浪动荷载幅值、循环振次、大圆筒入土深度、大圆筒筒径、抗剪强度指标、阻尼系数、筒底以下的持力层土性、软粘土的软硬化特性等对大圆筒结构动力稳定性的影响，讨论了波浪循环动荷载作用下大圆筒结构的工作机理和失稳破坏机制。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1概述

1.1.1引言

1.1.2大直径圆筒结构的起源和发展

1.1.3沉入式大直径圆筒结构的特点

1.2大圆筒结构研究现状综述

1.2.1实验研究

1.2.2土压力计算研究

1.2.3波浪力计算研究

1.2.4结构强度及变位研究

1.2.5稳定性计算方法研究

1.2.6数值计算方法研究

1.2.7存在的问题

1.3本文的主要研究工作

第二章土体弹塑性本构模型和软土地基特性

2.1土体弹塑性本构模型

2.1.1屈服面理论

2.1.2流动法则

2.1.3加工硬化理论

2.1.4加卸载准则

2.2土体的动力本构关系模型

2.2.1土的动力本构关系特征

2.2.2土的动力本构关系模型

2.3 ABAQUS有限元软件中的广义Drucker-Prager模型

2.3.1屈服面模型及塑性势函数

2.3.2广义Drucker-Prager模型中硬化的表示

2.3.3模型中参数的确定

2.4循环荷载下软粘土动力特性

第三章土与结构相互作用分析的弹塑性有限元方法

3.1弹塑性增量有限元法

3.1.1基本思想

3.1.2数值求解方法

3.2土与结构间的接触单元

3.3地基边界条件

3.4土体初始应力场的模拟

3.5弹塑性数值问题中的单元选取

第四章沉入式大圆筒结构三维弹塑性有限元静力分析

4.1三维弹塑性静力耦合分析模型

4.1.1算例介绍

4.1.2三维弹塑性静力耦合分析模型的建立

4.1.3变位控制点的选取

4.2稳定性分析

4.2.1稳定性判断标准

4.2.2变形图和塑性区分布图

4.2.3大圆筒结构整体稳定性的分析

4.2.4筒底B点的水平变位分析

4.2.5倾覆转动点位置分析

4.3土压力分布

第五章沉入式大圆筒结构三维弹塑性有限元动力分析

5.1三维弹塑性动力耦合分析模型

5.1.1算例介绍

5.1.2三维弹塑性动力耦合分析模型的建立

5.2模态分析

5.3大圆筒动力稳定性算例分析

5.3.1大圆筒结构时程响应及变位控制的动力设计方法

5.3.2大圆筒结构变形破坏及失稳机理分析

5.3.3参数对比分析

第六章结论及展望

6.1结论

6.2问题及展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢