地下结构分析中的独立覆盖板壳计算理论与方法

The project aims to develop a simple, convenient, efficient and robust independent cover shell (including plate) theory for the analyses of underground structure with complex boundary conditions and structural components, and build up a good basis for the application of the shell theory to practical engineering. To overcome the challenges and difficulties of shear locking, membrane locking, crack propagation and progressive failure confronted in the traditional shell theory, investigations will be carried out on the mechanism of shear locking and membrane locking of the independent cover shells, the mechanical properties of the independent cover shells under different coordinate system and different interpolation modes, the systematic computation theory of locking-free independent cover shells, the coupling of the independent cover shells and other types of elements, the automatic modeling of underground engineering based on independent covers, and the fracture theory of the independent cover shells. The project is also expected to provide a totally new way to develop simple and efficient locking-free thick-thin shell elements. The project has profound significance for theoretical research and substantial engineering.

本项目拟针对具有复杂边界条件和结构体系的地下结构分析特点，提出和发展一种简单、方便、高效、稳定的独立覆盖板壳计算理论与方法，以解决和攻克既有板壳计算理论在剪力自锁、薄膜自锁、断裂破坏过程追踪模拟等方面所面临的挑战与困难，为独立覆盖板壳计算理论方法在地下结构分析中的实际工程应用奠定良好的理论基础，同时也为简单、高效的厚薄通用板壳元构造提供一种全新的思路与方法。项目主要研究内容包括：独立覆盖壳体的剪力自锁和薄膜自锁机理、不同坐标系和不同插值位移模式对独立覆盖壳体力学性能影响、厚薄通用的独立覆盖板壳计算理论、独立覆盖板壳单元与其它类型单元的耦合分析理论与方法、基于独立覆盖的地下结构自动建模理论与建模技术、独立覆盖板壳单元的断裂分析理论与方法。项目研究具有重要的学术意义和工程应用价值。

针对薄壁地下结构的特征和特点，研究发展了基于正交曲线坐标系和非均匀B样条（NURBS）任意曲面描述的独立覆盖壳体理论模型与计算方法。该独立覆盖壳体模型的理论公式简洁、算法及程序实施方便，引入合适的失效准则即可以容易且方便地进行管片间拉剪破坏分析以及地下结构断裂和不连续分析，良好解决了传统板壳计算理论在剪力自锁、薄膜自锁、断裂破坏模拟等方面的困难，为地下结构计算分析提供了简单、方便和求解稳定的板壳计算模型。在独立覆盖理论的框架基础上，研究发展了独立覆盖板壳断裂分析方法及地下结构损伤断裂分析方法，建立了基于虚拟薄层的独立覆盖壳体、管片间接触及周围地层等的连接技术，实现了典型地下工程对象的自动参数化建模分析，简化了地下结构的计算过程。利用具有解析解答或对照解答的各种标准算例对项目理论及方法的计算精度和正确性等进行了测试和验证分析，并在深埋排水调蓄盾构隧道、矩形受腐蚀排水箱涵、大断面拱形预制隧道等地下工程实例的计算分析中进行了应用研究。