P波垂直入射下海域岛礁场地动力反应分析

该文重点研究P波垂直入射时海域岛礁场地的地震反应。截取包含岛礁礁体、海水以及下部基岩的近场计算域建立有限元模型,利用流体介质动力人工边界和一致粘弹性人工边界单元模拟无限海水介质与半无限地基的波动辐射效应。基于介质波动理论推导得到了P波垂直入射时含上覆水层的半空间自由场理论解,并利用基于人工边界子结构的地震波动输入方法,将该自由场运动转化为等效地震输入荷载,从而实现了海域岛礁场地P波垂直输入。通过算例分析,验证了该文模型与方法的准确性。并利用该地震反应分析模型研究海水与礁体的耦合作用以及水体中的波动输入对海域岛礁场地地震反应的影响。该研究可为海域场地地震反应分析提供一定的理论指导和方法借鉴。     

波动数值模拟中的吸收边界条件

为了提高人工边界条件在波动输入边界和自由场边界的精度,该文扩展了Higdon一阶吸收边界条件,并编制了相应的有限元计算程序。该方法将输入波分量引入到Higdon吸收边界条件当中,利用最小二乘法,用吸收边界邻域内的应变场和速度场计算Higdon边界条件公式中的参数,实现了吸收边界条件的自动更新。并且,该文提出了既适用于波...     

土-结构相互作用下网架结构动力性能研究

采用整体有限元法分析土-结构动力相互作用(SSDI)下网架的动力性能。以大型有限元软件ABAQUS为平台,结合FORTRAN程序实现粘弹性动力人工边界精确施加、土体自重应力平衡及粘弹性边界条件下地震动输入,并通过算例验证有限元计算过程的有效性与合理性;建立地基土-支承体系-网架屋盖相互作用的三维整体模型,分析SSDI对网架结构动力性能影响。研究表明,SSDI使网架结构自振周期较刚性地基下延长且地基土越软周期越长,网架结构自振频率随地基土变软更密集;SSDI使基础底面峰值加速度较自由场地表峰值加速度增大5%~30%,且地基土越软增大幅度越大;SSDI效应可增大网架结构节点加速度及节点水平相对位移,且使网架结构节点水平相对位移随地基土的变软逐渐增大。     

外源波动问题数值模拟的一种实现方式

将人工边界上的波动场分解为无局部场地效应影响的自由场与局部场地效应引起的散射场两部分,无限域地基中的波动传播对人工边界的影响通过将位移场、速度场转化为应力场施加到人工边界节点上来反映,其中散射波场的模拟采用了杜修力等提出的一种远场近似解。在此基础上,利用通用有限元软件实现了斜入射条件下瞬态平面地震波作用引起的局部场地效应的时域数值模拟,为计算二维、三维局部不规则、非均匀场地的地震局部场地效应以及土结动力相互作用等外源波动问题提供了一种有效、实用的实现方式。建议方法的优点是可直接借助通用有限元软件强大的求解器和前后处理功能来计算和分析近场波动反应,且实现简便。实际上,由于通用有限元软件强大的求解功能,可方便地用于局部场地存在不均匀、非线性的情况。     

采用粘弹性人工边界单元时显式算法稳定性分析

在土-结构地震反应或近场地震波动问题的分析中,常采用粘弹性人工边界单元将无限域问题转化为近场有限域问题进行计算。由于粘弹性人工边界单元的材料参数和单元尺寸与内部介质单元不同,采用显式时域逐步积分算法时,人工边界区与内部系统的数值稳定条件存在差异,但目前尚未有针对性的分析方法和研究成果,影响了显式数值稳定条件的确定和稳定积分时间步长的正确选取。针对二维粘弹性人工边界单元,该文提出一种分析显式时域逐步积分算法稳定性的方法:建立可代表人工边界区域特征的,包含人工边界单元的若干局部子系统,对各子系统的传递矩阵进行分析,给出采用显式时域逐步积分算法时各子系统的稳定条件解析解。通过对各子系统的稳定条件进行对比分析,获得了采用粘弹性人工边界单元时,显式时域逐步积分算法的统一稳定性条件。当内部介质区也满足该稳定条件时,这一条件成为使整体系统数值计算稳定的充分条件,可用于指导数值分析中离散时间步长的选取。     

地下结构静-动力分析中的人工边界转换方法研究

对同时考虑静力效应和动力效应的地下结构静-动力分析问题,静力分析与动力分析的人工边界转换对动力分析结果有较大的影响。通过对人工边界转换方法边界转换原理的分析,表明以静力分析结果中的应力场为初始条件进行动力分析时,在输入静应力场的同时输入引起此应力场的荷载和边界条件,以及去掉边界约束条件的同时施加以相应的约束反力,均可保证模型在动力计算初始时刻为静力平衡状态。提出了一种在动力分析中施加零动力荷载的方法来检验静、动力人工边界转换的误差。算例表明采用粘弹性静-动力统一人工边界及其相应计算方法时,该边界在某些地下结构静力计算中存在较大误差。通过分析,推荐了较为合理的地下结构静-动力分析人工边界转换方法。该方法在人工边界转换时先去掉静力分析的约束,并在施加动力人工边界进入动力分析前将静力分析的荷载、静力场和约束反力一并输入模型。通过算例分析,验证了该方法的合理性。     

扭转振动数值分析的粘弹性传输边界

传输边界是动力问题有限元计算中常见的边界处理方式。该文针对扭转振动引起半无限域内柱面剪切波有限元分析的传输边界,通过两种近似推导,提出了两种粘弹性传输边界,并对其计算精度进行了计算分析。数值分析结果显示,两种粘弹性边界都可以较好地模拟扭转振动分析时地基的无限性。同时,对这里考虑的扭转振动来说,粘弹性边界条件中的弹簧刚度与实际静力刚度相等时,传输边界的精度更高。     

采用粘弹性人工边界时显式算法稳定性的改善研究

在显式动力计算中引入粘弹性人工边界时,受人工边界刚度和阻尼等因素影响,整体模型的数值积分稳定性将变得更为严格,这在一定程度上限制了粘弹性人工边界在大规模显式动力计算中的应用。该文基于对采用粘弹性人工边界的显式时域逐步积分算法稳定性条件的分析及其影响因素的研究,提出通过对人工边界附加集中质量来改善其数值积分稳定性的方法,发展了稳定性更优的改进粘弹性人工边界。为确定合理的人工边界质量值,利用基于局部子系统的稳定性分析方法推导得到改进粘弹性人工边界的稳定性条件,通过比较分析给出人工边界质量参数的建议值。采用该建议值后,粘弹性人工边界区的数值积分稳定性条件优于内部计算域的稳定性条件,整体计算模型的稳定性由内部计算域控制,此时可以用常规的稳定性判别准则来确定临界时间积分步长。数值算例表明,该文提出的粘弹性人工边界数值积分稳定性改善方法在提高计算效率的同时保持原人工边界的计算精度,具有较强的实用性。     

SV波斜入射不同自由场构建方法下水电站地面厂房地震响应研究

针对目前近断层地震动少有考虑斜入射以及存在不同自由场构建方法的问题,研究了不同自由场构建方法的精度及其对水电站地面厂房地震响应的影响。将总波场分解为内行场和外行场,基于波场叠加原理分析了地基各边界面上的3种自由场,推导了与各边界面自由场对应的等效节点荷载计算公式,并结合边界条件实现了平面SV波斜入射输入。分析了3种斜入射下整个地基的自由场及其相对于解析解的计算精度,不考虑地基底部和右侧边界外行场时,计算误差较大;考虑地基底部边界和右侧边界外行场时计算误差很小,最大误差仅为-3.8%。研究了3种自由场构建方法下脉冲型和非脉冲地震动对水电站厂房地震响应的影响。结果表明:不考虑地基底边界和右侧边界外行场时,厂房总输入能和损伤耗散能有较大增加,导致厂房下部尾水管结构出现大范围的损伤破坏,并且各项能量占总输入能的比重发生明显变化;在相同自由场构建方法下,脉冲型地震动对厂房的破坏能力更强,因此近断层区域内厂房的抗震设计应该引起重视。     

白鹤滩水电站左岸边坡抗震分析

该文简单介绍了边坡地震自由场输入模型,其中,拉格朗日不连续变形分析方法(LDDA)被用来模拟断层、裂隙和结构面,粘弹性边界为吸能边界以体现无限地基辐射阻尼的影响,利用该模型,对白鹤滩水电站左岸岩质边坡进行了分析计算。通过引入岩体结构面降强系数与地震作用超载系数,分别建立了这两个系数和最大残余位移以及结构面最大张开度的关系,从而得出加固后白鹤滩左岸边坡设计地震作用下强度储备安全系数约为1.18,而超载安全系数约为1.25的结论。该文提出的分析方法有别于刚体极限平衡分析,通过工程实际应用表明,边坡地震自由场输入模型为边坡动力稳定分析提供了一个有效的工具。     

三维一致粘弹性人工边界及等效粘弹性边界单元

基于粘弹性人工边界推导了三维一致粘弹性人工边界单元的刚度及阻尼矩阵,利用单元矩阵等效原理采用普通有限单元构造了等效粘弹性边界单元来模拟三维粘弹性边界。均匀半空间算例与成层半空间算例证明三维粘弹性边界单元具有与集中粘弹性人工边界相近的精度,并且施加更为简便。     

动力设备荷载模拟及设备－桩基体系非线性动力分析

采用人工模拟设备动力荷载对桩基和上部设备协同工作体系进行了非线性振动时程分析。在分析过程中,针对设备振动荷载不易确定的特点,根据实测的荷载时程曲线,以及设备的极限荷载,按平稳高斯过程三角级数模型构造人工荷载时程曲线,将其作为设备的外部施加动荷载。在设备－桩基体系协同工作有限元模型中,采用粘滞边界模拟承台周边的地基土,地基弹簧弹性系数采用粘-弹性半空间法计算,使得整个体系的计算规模得到简化。利用模态叠加法对该体系进行动力时程分析。将上述方法应用到常州盘固水泥厂水泥立磨设备基础分析,并与实测结果进行对比,验证了该方法的计算精度。     

近场数值波动分析中地震波输入的一种简化方法

在显式有限元方法结合黏弹性人工边界的时域波动方法的基础上,建立了地震波垂直输入时的一种简化输入方法。将近场有限元模型沿高度方向进行分层,将地震动的入射运动转化为作用于人工边界底面及分层后每层侧面上的均布力,以实现地震动的输入。与以等效节点力的方式实现的地震动输入相比,施加均布力的方式简化了地震波输入的前处理工作,且又能保证与等效节点力方式相同的精度。自由场数值算例表明：当本文方法中的分层高度与波动有限元网格离散要求的最大尺寸相等时,本文方法与等效节点力方法具有相同的精度;当局部区域按网格离散要求的最大尺寸进行分层而在其它区域放大分层高度时,局部区域上的近场波动响应仍可保证具有相当高的精度。另外,某隧道结构地震响应算例的计算结果同样说明了本文方法的有效性。     

考虑土-结构相互作用大型动力机器基础三维有限元分析

本文提出了考虑土-结构相互作用计算大型机器基础动力反应的三维有限元方法.该方法将动力机器基础与周围地基作为一个完整的研究对象,将基础作为粘弹性体反映基础变形,建立粘-弹性人工边界模拟半无限地基的辐射阻尼和远场地球介质的弹性恢复性能,并通过构造等效弹簧实体元使这一人工边界在商业有限元程序中实现。文中进一步将上述方法用于分析燕化高压聚乙稀装置压缩机基础的动力反应，并通过数值试验定量讨论了影响大型机器基础动力反应的主要因素，得出了一些有用的结论。     

渡槽拟动力试验仿真分析

建立了一种可以同时考虑流-固耦合与桩-土-结构相互作用的渡槽结构水平地震响应的有限元计算模型,该模型通过等效线性化方法考虑土体非线性,以自由场计算结果为依据,确定黏-弹性人工边界的参数及进行相应的地震动输入。建立了渡槽结构拟动力试验模型的整体有限元计算模型,进行了试验地震波作用下的有限元仿真计算,并与拟动力试验结果进行了比较,计算结果与试验结果基本一致,说明了文中建立的有限元计算模型的有效性。同时,拟动力试验及有限元计算结果表明,水体对渡槽结构地震响应有一定影响,有水工况时,结构的基频降低,可能较无水工况与输入地震波能量主频段偏离更远,从而起到一定的减震作用。     

地震波斜入射下考虑局部地形影响和土结动力相互作用的多跨桥动力响应分析

在地震工程研究中同时考虑局部地形效应和土与结构动力相互作用对结构动力响应的影响是一个困难的问题。该文基于多源粘弹性人工边界理论,利用通用有限元程序ANSYS建立了一种可以同时考虑地震波入射角度、土与结构动力相互作用及局部地形效应等因素影响的有限元分析模型。利用这一模型对一座5跨连续梁桥进行了动力响应分析,结果表明：结构...     

高速铁路路基的动力响应分析方法

基于一致粘弹性人工边界建立了有砟轨道高速铁路在动荷载作用下的三维轨道路基有限元模型,模型考虑列车荷载、钢轨、轨枕、道床及路基的接触关系,采用移动轮载单元模拟列车通过时的动力作用。分析了四种机车车辆的一个轮对荷载引起的动应力在路基中的传播特性,包括路基面动应力与轴重、车速的关系,动应力沿路基纵向、横向及深度方向的变化。通过计算结果与秦沈客运专线综合试验实测结果的比较,验证了有限元分析的可靠性。三维一致粘弹性人工边界及单元的的成功应用,对缩小计算模型、缩短计算时间和提高计算精度提供了解决方案,有利于高速铁路尤其是无砟轨道路基动力特性的进一步研究。     

P波斜入射下非基岩场地中核岛结构地震响应规律研究

随着我国核电产业飞速发展,核电站厂址的选择将不可避免地遇到非基岩场地。针对地震动斜入射下非基岩场地中核电结构抗震问题,建立了包括CAP1400核岛结构和岩土场地的土-结构系统三维有限元模型,基于黏弹性人工边界和斜入射地震动输入方法,研究了P波斜入射角度和非基岩分层场地对核岛结构地震响应的影响规律。研究表明:非基岩场地将增大核岛结构加速度响应和楼层反应谱,多数条件下也将增大楼层相对位移;P波入射角度增大,核岛结构竖向响应减小、水平响应增大,楼层反应谱的频谱特性发生改变。     

地震波斜入射条件下重力坝动力响应分析

为建立反映设计地震动的斜入射波场,将地表地震动时程分量分解为斜入射的平面SV波和平面P波,使其共同作用下在地表产生与设计地震动分量相同的响应,而其他方向响应为0,根据固体介质中波的传播理论,推导了斜入射波入射角度之间的关系,以及幅值与设计地震动分量的联系,通过采用平面波和远场散射波混合透射的应力人工边界条件,得到了反映设计地震动的地震波斜入射条件下的解析方式,以此为基础建立了时域计算分析模型。将该方法应用于某重力坝―地基动力相互作用分析,在不同地基刚度下与垂直入射的情况进行了比较,计算结果表明：地震波斜入射时对重力坝结构有明显的影响,尤其是坝－基交界面上,结构的动力响应要大于地震波垂直入射时结构的动力响应。该方法在均匀地基假设下构造了反映地表设计地震动特征的斜入射波系,斜入射波系在地表的响应具有非一致特征,同时该方法考虑了地基的辐射阻尼,可用于重大工程在地震动非一致输入下的动力响应分析。