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。     

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。     

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。     

波动问题中的三维时域粘弹性人工边界

应用弹性波动理论,发展了实现波动直接模拟的三维时域粘弹性人工边界。首先基于三维波动方程推导了三维粘弹性人工边界的法向与切向边界方程,然后研究了时域粘弹性人工边界的数值模拟技术,最后通过典型的波动问题算例证明了给出的三维人工边界具有较高精度,可以方便地应用于三维波动问题的模拟分析。     

打桩振动近场波动的数值分析和实测比较

采用轴对称弹性体系有限元和人工边界的耦合模型对打桩引起的近场波动问题进行数值模拟，并编制了相应程序，与某打桩场地实测数据进行比较，验证了本模型的可靠性，并参考荷兰振动规范分析了打桩振动对建筑物的影响以及隔振沟的位置，深度，宽度和材料强度对隔振效果的影响。     

粘弹性人工边界的虚位移原理

该文将结构及其近场地基作为动力平衡系统,将在人工边界上的波动分解为自由波和散射波,并将输入地震波动转化为作用于人工边界上的等效荷载以实现波动输入。基于以上假设通过分析结构及其近场地基系统的动力平衡关系和自由场的传播机制,给出了自由场的位移表达式、速度表达式,以及在人工边界上由自由场产生的等效荷载一般表达形式,最后建立了粘弹性人工边界统一的动力学积分弱解形式,同时基于有限元程序自动生成系统(FEPG)开发了粘弹性边界条件元件程序。经过计算验证:该文建立的具有粘弹性人工边界的动力学问题的积分弱解方程粘弹性边界条件元件程序可靠、正确。利用这些元件程序,在前处理中可像加位移或应力边界条件一样简便快捷地施加粘弹性边界条件。     

土-结构相互作用对储液结构动力反应的影响研究

该文建立了考虑土-结构动力相互作用和流固耦合效应的储液结构-土体近场有限元模型,利用人工边界技术模拟半无限地基的波动辐射效应,采用人工边界子结构法实现地震波在近场模型中的输入,在此基础上,研究了土-结构动力相互作用对储液结构地震反应的影响。研究结果表明,考虑土-结构相互作用时,储液结构-液体耦联自振频率整体向低频方向移动,且与不考虑土-结构相互作用的模型相比,出现了额外的有土体参与的自振模态。受地震波频谱成分和储液结构自振频率变化的影响,在不同输入地震波和储液量下,土-结构相互作用对结构地震反应峰值呈现不同的影响规律。对于峰值地震反应过后的后续波动,当考虑土-结构相互作用时,由于下部土体与结构相互作用产生的散射波不断向外部辐射扩散,并最终被人工边界吸收,导致储液结构及其内部水体的振动幅值快速衰减。     

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...     

竖向成层介质中标量波传播问题的高精度人工边界条件

为了实现含竖向成层介质以及表面不规则地形场地中标量波传播问题的高效且高精度求解,该文基于连分式展开和扩展的一致边界,建立了一种频域下折线形高精度人工边界条件。通过在每个竖向地层内引入独立的斜角坐标变换,新的人工边界条件可以用于多起伏地表地形条件。新的折线形人工边界在频域下推导,仅含有连分式阶数一个待定实参数,用于调整计算精度,该参数不随外行波的频率和传播角度改变。人工边界条件可以与内域有限元方程无缝耦合,应用简单方便。由于新边界条件的高精度,内域尺寸可以取较小甚至可以直接将人工边界加在结构周围或者地表,从而极大提高计算效率。通过典型数值算例,将人工边界计算模型与有限元大模型的解进行了对比分析,验证了该文提出的折线形人工边界条件的有效性和高精度。     

一种高阶精度人工边界条件:出平面外域波动问题

针对无限外域中的出平面波动问题,提出一种用于近场波动有限元分析的高阶精度人工边界条件。首先,采用变量分离法求解远场初边值问题,建立了时空全局的精确动力刚度人工边界条件;然后,发展了一种由有理函数近似和辅助变量实现构成的时间局部化方法,并将其应用于动力刚度人工边界条件,得到时间局部的高阶精度人工边界条件;最后,沿人工边界离散高阶精度人工边界条件,并将其与近场集中质量有限元方程耦合,形成对称的时间二阶常微分方程组,采用一种新的显式时间积分方法进行求解。数值算例表明:提出的高阶精度人工边界条件精确、高效、稳定并且容易在现有的有限元代码中实现。     

波动谱元模拟中透射边界稳定性分析

无限域波动数值模拟中,人工边界的稳定性是获得可靠模拟结果的前提。具有高阶精度的谱元法和透射边界两者结合的数值模拟方案显示出较好的模拟精度和数值稳定性,然而,仍然存在数值失稳现象,其失稳机理和稳定条件尚不明确,相应的理论分析极为欠缺。该文针对透射边界在高阶谱元法中的稳定性,依据高阶谱单元中非等间距节点的周期延拓特点,通过构建内域和边界数值格式的向量形式来分析人工边界反射系数。进而保证边界对谱元法中存在的真实模态和虚假模态的反射系数均小于等于1,从而得到透射边界的稳定条件,其表现为无量纲边界参数和谱元参数之间的关系,其含义为透射边界人工波速与介质物理波速的比值限定在一定范围内。同时揭示了透射边界引发高频失稳的机理,即边界对谱元法中虚假模态的反复反射放大所致。最后采用数值实验验证了透射边界稳定条件。     

半圆柱型沉积盆地对SH波散射的数值分析

该文实现了一种半无限域SH波散射问题的数值分析方法。采用传递矩阵法得到SH波斜入射时的自由场,将其作为输入;采用集中质量显式有限元方法计算区域内节点的位移;采用透射人工边界计算人工边界点的位移;通过编写的FORTRAN程序实现计算过程。运用该方法对均匀半空间内半圆柱型沉积盆地在SH波入射下的散射进行了分析,与Trifunac M D的解析解进行了对比,验证了该文方法的有效性,分析了不同入射角对地表位移和位移谱放大系数的影响。最后,对成层半空间内半圆柱型沉积盆地在SH波入射下的散射进行了分析。相对于解析方法而言,该方法可以考虑更为复杂地形情况。     

An optimal high‐order non‐reflecting finite element scheme for wave scattering problems

A new finite element scheme is proposed for the numerical solution of time‐harmonic wave scattering problems in unbounded domains. The infinite domain in truncated via an artificial boundary ?? which encloses a finite computational domain Ω. On ?? a local high‐order non‐reflecting boundary condition (NRBC) is applied which is constructed to be optimal in a certain sense. This NRBC is implemented in a special way, by using auxiliary variables along the boundary ??, so that it involves no high‐order derivatives regardless of its order. The order of the scheme is simply an input parameter, and it may be arbitrarily high. This leads to a symmetric finite element formulation where standard C⁰ finite elements are used in Ω. The performance of the method is demonstrated via numerical examples, and it is compared to other NRBC‐based schemes. The method is shown to be highly accurate and stable, and to lead to a well‐conditioned matrix problem. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.     

带窄缝多箱体系统波浪荷载特性分析

针对波浪与带有窄缝多固定直角箱体结构作用产生的流体共振问题,建立了非线性波浪荷载分析二维时域模型。该模型采用域内源造波技术产生入射波浪,自由水面满足完全非线性运动学和动力学边界条件,窄缝内自由水面引入人工阻尼来等效由于涡旋运动和流动分离引起的粘性耗散,建立边界积分方程并采用高阶边界元离散求解物面上速度势等未知量,进而利用加速度势的方法来求得速度势时间导数,并基于伯努利方程积分得到作用结构上的瞬时波浪荷载。通过模拟带两窄缝的三箱体所受水平力与垂向力,并与已发表结果对比验证了模型的准确性。同时通过大量的数值计算,分析了箱体数量对各箱体所受波浪荷载大小及变化规律的影响。     

Explicit finite element artificial boundary scheme for transient scalar waves in two‐dimensional unbounded waveguide

To simulate the transient scalar wave propagation in a two‐dimensional unbounded waveguide, an explicit finite element artificial boundary scheme is proposed, which couples the standard dynamic finite element method for complex near field and a high‐order accurate artificial boundary condition (ABC) for simple far field. An exact dynamic‐stiffness ABC that is global in space and time is constructed. A temporal localization method is developed, which consists of the rational function approximation in the frequency domain and the auxiliary variable realization into time domain. This method is applied to the dynamic‐stiffness ABC to result in a high‐order accurate ABC that is local in time but global in space. By discretizing the high‐order accurate ABC along artificial boundary and coupling the result with the standard lumped‐mass finite element equation of near field, a coupled dynamic equation is obtained, which is a symmetric system of purely second‐order ordinary differential equations in time with the diagonal mass and non‐diagonal damping matrices. A new explicit time integration algorithm in structural dynamics is used to solve this equation. Numerical examples are given to demonstrate the effectiveness of the proposed scheme. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

Characterization of surface crack depth and repair evaluation using Rayleigh waves

The issues of surface crack depth determination and the evaluation of repair effectiveness are not trivial for concrete engineers. In the present paper, surface waves are applied on concrete blocks with artificial slots to correlate wave parameters with crack depth. To simulate crack repair with an injected material, epoxy is applied to the slots in the laboratory and quantification of the filling percentage is attempted. Simultaneously, a frequency domain boundary element method is employed for the numerical simulation of transient pulses interacting with surface breaking cracks. Experimental results compare well with the numerical ones, showing that the repair effectiveness, which so far can be evaluated only by destructive techniques, is possible by simple surface wave measurements.