静力施工模型建立-实例分析

1.前处理

1）定义几何及网格密度。

考虑沥青心墙坝的施工过程，选择在CAD模型中按照施工顺序对模型进行切割，然后按照10.1节将CAD模型导入ADINA软件，并转换为YZ坐标的方法来建立该模型，对应的命令流文件为01_model.in。

启动ADINA-AUI，程序模块选择为ADINA Structures。

单击菜单File→Open（或图标），读取命令流文件01_model.in。该文件中包含下列命令：①建立了219个点；②建立了187个面；③设定了网格密度。详细的建模过程请读者自行参看命令流文件。

2）定义材料。

沥青混凝土心墙坝采用的是邓肯-张E-v材料模型，该模型在ADINA软件中需要通过二次开发所得到的DLL文件才能够实现。

提示：将adusr.dll文件（保存于随书光盘的文件夹＼10-2＼ADINA8.6版本DLL二次开发链接文件＼adusr.(dll中)替换ADIAN软件安装路径下＼ADINA86＼x32内相同的dll文件即可（替换前可将adusr.dll文件复制）。

定义混凝土弹性材料属性的操作如下：单击菜单Model→Material→Manage Material（或图标），将弹出材料定义对话框，单击Elastic下的Isotropic按钮来定义混凝土弹性材料属性。在弹出的对话框中单击Add按钮来定义材料1，在Young’s Modulus处输入2.2 E10，在Poisson’s Ratio处输入0.167，在Density处输入2400，在Description处输入“concrete”，单击OK按钮。

定义上游围堰的邓肯-张E-v材料模型的操作如下：单击图标，将弹出材料定义对话框，单击Others下的User-Coded按钮来定义上游围堰的邓肯-张E-v材料。在弹出的对话框中单击Add按钮来定义材料2，在Density处输入2400，在Description处输入“shang you wei yan”，在Constant Propertie Count（CTI值）处输入22，在Solution Control Count（SCP值）处输入2（如图10-18a所示），并按照表10-6提供的数据分别输入CTI值和SCP值。单击Advanced标签页，并勾选Size of Arrays下的Set in user coding，在Temperature-Dependent Properties Count处输入2，然后按照下图输入0、0、0、0、100、0、0、0（如图10-18b所示），单击Save按钮。

表10-6 坝体填筑料邓肯-张E-v材料输入列表

定义坝底覆盖层、帷幕灌浆区和基岩弹性材料属性的操作如下：单击图标，将弹出材料定义对话框，单击Elastic下的Isotropic按钮来定义基岩弹性材料。在弹出的对话框中单击Add按钮来定义材料8，在Young’s Modulus处输入2.8 E10，在Poisson’s Ratio处输入0.167，在Density处输入0，在Description处输入“ji yan”，单击OK按钮。

提示：将密度设置为零主要基于两方面的考虑：1）实际工程中用户关注的是心墙坝填筑时所产生的附加沉降，对于坝底处基岩等由于自重引起的沉降位移并不关心，凶此将密度设置为0，即：不考虑自重引起的沉降位移：2）后续进行重启动的动力抗震分析时，需通过无质量地基的方法来处理地震加速度波来回反射所产生的附加惯性力。

图10-18 上游围堰的邓肯-张E-v材料模型

3）定义约束。

删除多余自由度：单击菜单Control→Degrees of Freedom...，将弹出对话框Degrees of Freedom，只勾选Y-translation和Z-translation，删除其他多余的自由度。

单击施加约束图标，在弹出的对话框中单击Define...按钮。单击Add...按钮，在Define Fixity对话框中输入约束名YF，勾选Y-Translation按钮，单击Save按钮；单击Add...按钮，输入约束名ZF，勾选Z-Translation按钮，单击OK按钮。

将Apply Fixity对话框中的“Apply to”区域设置为Lines，将Default Fixity设置为YF，并在左侧表Lines#中输入线号：1、36、38、61、63、77、79、93，单击Save按钮；将Default Fixity设置为ZF，并在左侧表Lines#内输入线号：2、5、8、11、14、17、20、23、26、29、32、35，单击OK按钮。

4）施加重力载荷。

施加重力载荷的操作如下：单击图标，并选择载荷类型为Mass Proportion，单击Define...按钮，在Magnitude处输入重力加速度数值10.0，在Direction Vector处输入输入方向0、0、-1，单击OK按钮返回上一级窗口。

需要注意的是：本实例包含静力分析和地震响应的动力时程分析两部分，因此Interpret loads as选项中应选择Body Force，原因是：Body Force方式既可以用于静力分析，也可用于动力分析，而Gound Acceleration方式只能用于动力分析中。

输入重力作用的时间函数1（默认的时间函数），载荷比例因子在0～1e21时间内保持为1，用来表示：重力从0时刻完全施加，并永远保持不变。

5）施加水压力。

由于水压力呈线性分布，因此需要首先定义空间函数。定义空间函数的操作如下：单击菜单Geometry→Spatial Function→Line...，单击Add...按钮，在弹出的对话框中将Type选择为Linear，在u=0输入0，在u=1输入3.8565。类似地，按照表10-7定义其他的空间函数。

表10-7 空间函数列表

（续）

定义水压力作用的时间函数2见表10-8，从表中可以看出：水压力在时刻0～100之间线性增大，然后保持不变。

表10-8 时间函数2

单击图标，并选择载荷类型为Pressure，单击Define按钮，在Magnitude处输入为9800，单击OK按钮返回上一级窗口。将Apply to选择为Line，在绿色窗口中输入386，在Arrival Time处输入270（表示载荷在时刻270时才开始起作用），在Time Function...处输入2（表示载荷按照时间函数2来施加），在Spatial Function...处输入1（表示载荷按照空间函数1分布）。

同理，根据如下列表定义剩下的水压载荷。

表10-9 载荷输入表

（续）

依次单击图标和，然后单击显示载荷图标和显示约束图标，图形区将给出如图10-19所示的约束及载荷图。

图10-19 约束及载荷图

6）定义单元组。

8种材料需要定义8个单元组，对应的操作如下：单击菜单Meshing→Element Group（或图标），将弹出定义单元组对话框。单击Add按钮来定义单元组1，将Type选择为2D Solid，将Element Sub-Type选择为Plane Strain，将Default Material选择为1，其余设置保持不变，单击Save按钮；单击Add按钮来定义单元组2，将Element Sub-Type选择为Plane Strain，将Default Material选择为2，单击Save按钮；单击Add按钮来定义单元组3，将Element Sub-Type选择为Plane Strain，将Default Material选择为3，单击Save按钮；单击Add按钮来定义单元组4，将Element Sub-Type选择为Plane Strain，将Default Material选择为4，单击Save按钮；单击Add按钮来定义单元组5，将Element Sub-Type选择为Plane Strain，将Default Material选择为5，单击Save按钮；单击Add按钮来定义单元组6，将Element Sub-Type选择为Plane Strain，将Default Material选择为6，单击Save按钮；单击Add按钮来定义单元组7，将Element Sub-Type选择为Plane Strain，将Default Material选择为7，单击Save按钮；单击Add按钮来定义单元组8，将Element Sub-Type选择为Plane Strain，将Default Material选择为8，单击OK按钮退出对话框。

7）划分网格。

①划分混凝土网格的操作如下：单击菜单Meshing→Create Mesh→Surface（或图标），在弹出的对话框中将Element Group选择为1，将Nodes per Element选择为4，双击表格进入图形区选择混凝土所在的面，也可以在表格中直接输入混凝土的面号：30、37、43～50（建议应用Auto方法输入）、64，单击Apply按钮。

②划分上游围堰网格的操作如下：将Element Group选择为2，Nodes per Element仍保持选择4，双击表格进入图形区选择上游围堰所在的面，也可以在表格中直接输入上游围堰的面号：39～42，单击Apply按钮。

③划分下游堆石体网格的操作如下：将Element Group选择为3，Nodes per Element仍保持选择4，双击表格进入图形区选择下游堆石体所在的面，也可以在表格中直接输入下游堆石体的面号：55、61、62、63、70、71、77、78、84、85、92、93、100、101、107、108、114、115、121、122、128、129、135、136、142、143、149、150、156、157、163、164、170、171、177、178、183、187，单击Apply按钮。

④划分沥青混凝土心墙网格的操作如下：将Element Group选择为4，Nodes per Element仍保持选择4，双击表格进入图形区选择沥青混凝土心墙所在的面，也可以在表格中直接输入沥青混凝土心墙的面号：53、59、68、75、82、90、98、105、112、119、126、133、140、147、154、161、168、175、181、185，单击Apply按钮。(www.xing528.com)

⑤划分下游过渡层网格的操作如下：将Element Group选择为5，Nodes per Element仍保持选择4，双击表格进入图形区选择下游过渡层所在的面，也可以在表格中直接输入下游过渡层的面号：54、60、69、76、83、91、99、106、113、120、127、134、141、148、155、162、169、176、182、186，单击Apply按钮。

⑥划分上游过渡层网格的操作如下：将Element Group选择为6，Nodes per Element仍保持选择4，双击表格进入图形区选择上游过渡层所在的面，也可以在表格中直接输入上游过渡层的面号：52、58、67、74、81、89、97、104、111、118、125、132、139、146、153、160、167、174、180、184，单击Apply按钮。

⑦划分上游堆石体网格的操作如下：将Element Group选择为7，Nodes per Element仍保持选择4，双击表格进入图形区来选择上游堆石体所在的面，也可以在表格中直接输入上游堆石体的面号：51、56、57、65、66、72、73、79、80、86、87、88、94、95、96、102、103、109、110、116、117、123、124、130、131、137、138、144、145、151、152、158、159、165、166、172、173、179，单击Apply按钮。

⑧划分坝底基岩、帷幕灌浆区和覆盖层网格的操作如下：将Element Group选择为8，Nodes per Element仍保持选择4，双击表格进入图形区来选择坝底基岩、帷幕灌浆区和覆盖层所在的面，也可以在表格中直接输入坝底基岩、帷幕灌浆区和覆盖层的面号：1～29、31～36、38，单击OK按钮退出对话框。网格划分工作完毕。

依次单击图标、和，然后单击显示载荷图标，此时图形区将给出如图10-20所示的模型网格图，图中共包含8个单元组，分别使用不同的颜色来表示。

8）定义单元生死时间。

由于心墙坝的填筑过程中涉及的结构材料逐渐增多，因此需要采用单元生死（Element Birth/Death）功能，选用单元生（Active）来模拟填筑过程。本实例需要设定心墙坝所在面的Birth Time，时间顺序是实际的施工顺序。详细的操作步骤如下：

单击菜单Model→Element Properties→2-D Solid...，在弹出的对话框中按照表10-10来定义单元生成时间。

图10-20 模型网格图

表10-10 单元生成时间

9）关闭非协调单元算法。

单击菜单Control→Analysis Assumptions→Kinematic...，在弹出的对话框中将Use Incom-patible Modes in Element Formulation设置为No，单击OK按钮关闭对话框。

10）打开线性搜索功能并增加迭代次数。

单击菜单Control→Solution Process...，在弹出的对话框中选择Iteration Method...，并将Use ofLine Searches设置为YES，将Maximun Number of Iterations设置为100，单击OK按钮退出对话框。

11）定义时间步和步数。

单击菜单Control→Time Step，在弹出的对话框中定义时间步长为10，共37步，总分析时间为10×37=370。

2.提交计算

单击菜单File→Save（或图标），将文件保存为02_Construction.in。单击菜单Solution→Data File/Run（或图标），在弹出的对话框中输入文件名02_Construction，同时勾选Run Solution和Automatic Memory Allocation选项，单击保存按钮并等待分析结束。

3.后处理

程序模块选择为Post→Processing。单击菜单File→Open（或图标），打开结果文件02_Construction.por。

查看整体模型Z方向位移云图的操作如下：依次单击图标和，然后单击图标仅显示单元组的网格轮廓线。单击图标（Create Band Plot），将Band Plot Variable设置为（Displacement：Z-DISPLACEMENT），单击OK按钮。图形区将给出如图10-21所示的Z方向位移云图。

图10-21 整体模型Z方向位移云图

查看整体模型Y方向位移云图的操作如下：单击图标（Modify Band Plot）进入Modify BandPlot菜单，将Band Plot Variable设置为（Displacement：Y-DISPLACEMENT），单击OK按钮。图形区将给出如图10-22所示的Y方向位移云图。

查看整体模型最大主压应力云图的操作如下：依次单击图标和，然后单击图标仅显示单元组的网格轮廓线。单击图标（Create Band Plot），将Band Plot Variable设置为（Stress：SIGMA-P3），单击OK按钮。图形区将给出如图10-23所示的最大主压应力云图。

查看整体模型最小主压应力云图的操作如下：单击图标（Modify Band Plot）进入Modify BandPlot菜单，将Band Plot Variable设置为（Stress：SIGMA-P1），单击OK按钮。图形区将给出如图10-24所示的最小主压应力云图。

图10-22 整体模型Y方向位移云图

图10-23 整体模型最大主压应力云图

将单元组1～7定义到Zone DAM中：单击菜单Display→Geometry/Mesh Plot→Change Zone，在弹出的对话框中单击Zone Name右侧的按钮，将弹出Define Zone对话框（或单击图标右侧的下拉菜单，然后选择图标）。单击Add按钮，在弹出的对话框中输入DAM（小写亦可），单击OK按钮。在表格的第1行输入ELEMENT GROUP 1 to 7，单击OK按钮。

查看心墙坝模型Z方向位移云图的操作如下：依次单击图标和，选择DAM，单击OK按钮来显示ZONE DAM，然后单击图标仅显示单元组的网格轮廓线。单击图标（Create Band Plot），将Band Plot Variable设置为（Displacement：Z-DISPLACEMENT），单击OK按钮。图形区将给出如图10-25所示的Z方向位移云图。

查看心墙坝Y方向位移云图的操作如下：单击图标（Modify Band Plot）进入Modify BandPlot菜单，将Band Plot Variable设置为（Displacement：Y-DISPLACEMENT），单击OK按钮。图形区将给出如图10-26所示的Y方向位移云图。

图10-24 整体模型最小主压应力云图

图10-25 心墙坝模型Z方向位移云图

图10-26 心墙坝模型Y方向位移云图

查看心墙坝最大主压应力云图的操作如下：依次单击图标和，选择DAM并单击OK按钮来显示ZONE DAM，然后单击图标仅显示单元组的网格轮廓线。单击图标（Create Band Plot），将Band Plot Variable设置为（Stress：SIGMA-P3），单击OK按钮。图形区将给出如图10-27所示的最大主压应力云图。

图10-27 心墙坝模型最大主压应力云图

查看心墙坝最小主压应力云图的操作如下：单击图标（Modify Band Plot）进入Modify Band Plot菜单，将Band Plot Variable设置为（Stress：SIGMA-P1），单击OK按钮。图形区将给出如图10-28所示的最小主压应力云图。

图10-28 心墙坝模型最小主压应力云图