(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111349567.6 (22)申请日 2021.11.15 (71)申请人 中铁第四勘察设计院集团有限公司 地址 430063 湖北省武汉市武昌杨园和平 大道745号 (72)发明人 肖明清　龚彦峰　廖少明　孙文昊　 邓朝辉　薛光桥　门燕青　徐意志　 张靖坤　王少锋　 (74)专利代理 机构 北京汇泽知识产权代理有限 公司 11228 代理人 代婵 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 考虑接缝界面动力效应的新型接缝模型及 其构建方法和数值实现方法 (57)摘要 本发明涉及一种考虑接缝界面动力效应的 新型接缝模 型及其构建方法和数值实现方法， 本 发明的新型接缝模型将粗糙面的细观形貌的不 平整特性， 通过基于分形理论的粗糙面动力接触 刚度、 动力接触阻尼， 等效为两侧平整均质多线 性材料的动力物理参数， 减小了建模和分析的难 度和工作量； 平整均质虚拟材料在法向维持直接 接触， 不改变接缝的接触动力特性及位移的非连 续性， 在切向上采用弹性多线性弹簧连接， 来模 拟接缝的应力切向非线性。 本发明将直接接触 法、 虚拟材料法相结合及宏细观相结合， 能够同 时考虑法向和切向的应力非线性 以及位移非连 续性， 是节理模型的修正， 减小了建模和分析的 难度和工作量。 权利要求书8页 说明书19页 附图4页 CN 114091153 A 2022.02.25 CN 114091153 A 1.一种考虑接缝界面动力效应的新型接缝模型的构建方法， 其特征在于， 包括如下步 骤： 测定接缝两侧管片混凝 土的分形维度和分形尺度参数； 计算接缝两侧微凸体塑性临界接触面积ac1、 ac2以及接触面最大微凸体接触面积aL， 根 据接触面 最大微凸体接触面积aL与ac1、 ac2之间存在的几种相对关系进行工况分类； 根据工况分类情况计算法 向接触刚度及法向接触阻尼， 并计算等效均质材料弹性模量 以及等效泊松比， 得到等效均质材 料本构及接缝法向非线性模型； 根据工况分类情况计算切向接触刚度及切向接触阻尼， 并计算切向非线性弹簧剪切刚 度， 得到切向非线性弹簧及接缝切向非线性模型。 2.如权利要求1所述的考虑接缝界面动力效应的新型接缝模型的构建方法， 其特征在 于： 计算接缝两侧微凸体塑性临界接触 面积ac1、 ac2以及接触 面最大微凸体接触 面积aL， 具体 包括： 接缝两侧管片混凝土具有不同的表面粗糙度， 其中， 分形维数分别为D1和 D2， 分形尺度 参数分别为G1和G2； 接缝两侧微凸体塑性临界接触面积ac1、 ac2分别是： 其中， E是弹性模量， σy是屈服应力， μ为 接触面材 料的摩擦系数； 通过求解如下超 越方程得 出两个接触面的扩展系数Ψ1、 Ψ2： 其中， Ψ为接触面的扩展系数； 接缝两侧的两个粗 糙接触面具有相同的最大接触面积aL， 通过下式求得： aL＝min(aL1,aL2)。 式中， Ar1、 Ar2分别为两个管片的实际接触面积。 3.如权利要求1所述的考虑接缝界面动力效应的新型接缝模型的构建方法， 其特征在 于： 根据工况分类情况计算法向接触刚度， 具体包括： 微凸点只有发生弹性变形的部分面积才有接触刚度值 kn， 其中， Pe是弹性接触压力， δ 是接触 变形；权　利　要　求　书 1/8 页 2 CN 114091153 A 2根据接触面 最大微凸体接触面积aL与ac1、 ac2之间存在的三种相对关系进行工况分类； 当处于第一种工况: aL<ac1<ac2时， 接缝一侧的第一粗糙面和接缝另一侧的第二粗糙面 的所有微凸体均处于塑性接触 状态， 此时法向接触刚度为0； 当处于第二种工况: ac1<aL<ac2时， 接缝一侧的第一粗糙面有部分微凸体处于全塑性状 态， 有部分处于弹 塑性状态， 接缝另一侧的第二 粗糙面所有微凸体均处于全塑性状态； 将单个微凸点的法向接触刚度在分布函数 上进行积分， 得到总的法向接触刚度Kn为： 当处于第三种工况: ac1<ac2<aL时， 接缝一侧的第一粗糙面和接缝另一侧的第二粗糙面 均为部分微凸体处于全塑性状态， 部分处于弹 塑性状态， 总的法向接触刚度Kn为： 其中， E是弹性模量， ψ1、 ψ2为第一粗糙面、 第二粗糙面的扩展系数； D1为第一粗糙面的分 形维数， D2为第二 粗糙面的分形维数。 4.如权利要求1所述的考虑接缝界面动力效应的新型接缝模型的构建方法， 其特征在 于： 根据工况分类情况计算法向接触阻尼， 具体包括： 微凸体在弹性阶段存 储的弹性应 变能为： 而在塑性范围内的应 变能为： 其中， E是弹性模量， σy是屈服应力， R是弹性微凸体的曲率半径， δc是临界塑性接触变形 量， δL是最大接触 变形量； 根据接触面 最大微凸体接触面积aL与ac1、 ac2之间存在的三种相对关系进行工况分类； 当处于第一种工况: aL<ac1<ac2时， 接缝一侧的第一粗糙面和接缝另一侧的第二粗糙面 的所有微凸体均处于全塑性状态， 法向接触阻尼不存在， 接触面的塑性应 变能为： 当处于第二种工况: ac1<aL<ac2时， 接缝一侧的第一粗糙面有部分微凸体处于全塑性状权　利　要　求　书 2/8 页 3 CN 114091153 A 3