3.5　接触面模型选取和面板单元的特殊处理

3.5.1　直接约束法模拟接触

接触问题关注的主要是混凝土面板和垫层之间的接触，由于两种材料的变形特性相差较大，而且受施工措施的影响，在内外因素的共同作用下面板和垫层会在接触面上产生滑移、错动、张开（脱空）等不利情况。本书中采用的是直接约束法作为模拟手段，该法能较好地模拟混凝土面板和垫层之间的接触状况，对于接触面上位移的不连续现象描述精度高，面板与垫层间发生大规模的滑移和脱空的问题也能得到较为准确的计算结果。相对于接触面单元法来说，直接约束法不用增加特殊的接触单元，也不会发生接触条件发生复杂变化的情况。因此在分析面板与垫层间的接触问题时得到的结果更加合理可靠，具有普遍的适应性。在不久的将来，可以看到该方法具有较好前景的开发价值。

在MARC中具体使用直接约束法定义接触约束时，只需将二者视为独立的部分，并定义为变形体即可，接触方式设置为Touching，摩擦因子和接触容限可参考相关资料进行假定，但必须确保收敛率波动不能太大。直接约束法除了单元的定义简单明了外，另一个优势就是面板单元的尺寸可以不必与垫层单元的尺寸相当，面板单元的尺寸可以划分得更细，从而减少总体计算时间，并能够对面板进行细致的分析，见图3.5。

图3.5　面板和堆石体单元尺寸对比

3.5.2　面板单元的特殊处理

一般而言，对于常规单元来说，单元的形状对于计算精度会产生一定程度的影响，当单元的形状过于扁平或者奇异时，计算产生的面板挠度值和应力值会与实际值产生较大的偏差，这样显然是不合理的。而对混凝土面板来说，其沿坝坡方向的长度量级远远超过面板的厚度，若要使得面板的划分单元形状不过于扁平，那么面板的长度方向所取的种子点数必然极密，这样耗费的计算时间也会相应增加许多。

将面板视作线弹性体，那么当垫层上部沉降较大而与面板产生脱空现象时，面板的实际应力状态与悬臂梁类似。考虑到这一情况，本书中为了使得简化后扁平单元的计算精度能与加密单元相当，采用了MARC中的一类特殊平面单元减缩积分平面应变单元1，单元号为115。对于该种低阶减缩单元，其厚度方向上必须确保至少有4个单元，就能比较精确地模拟弯曲问题。因此本书中将面板厚度方向划分为五层，则单元在其长度方向可以不必与厚度保持相同的量级，而不影响计算精度。关于这一点的正确性前人已经做过简单的悬臂梁模型进行验证，结果表明采用特殊单元时误差为1.5%左右的单元长度是采用常规单元时的30多倍，因此本书采用减缩积分平面应变单元是合理的，不会影响到计算精度。