等效黏性边界单元及黏性边界波动输入方法

为更好的利用大型通用软件进行结构-地基动力相互作用分析,本文在黏性边界的基础上提出黏性边界单元的概念,通过构造相同阻尼矩阵的方式提出了能够实现黏性边界功效的特殊有限单元-等效黏性边界单元.等效黏性边界单元能够较好的模拟地基的辐射阻尼效应,使黏性边界的实现更加方便.同时,为简化大型通用软件中地震波的输入,提出了适合于黏性边界条件下水平成层地基中垂直入射地震波的输入方法.该方法不需要借助其它辅助计算就可直接在各种大型通用有限元软件中用一个数值模型实现地震波动输入,具有很强的通用性.此输入方法极大的减少了地震波动输入的数据准备工作,降低了操作的复杂程度.数值算例表明,等效黏性边界单元及文中提出的地震波动输入是简单可靠的.     

土工建筑物动力固结的耦合振动分析

本文从达朗贝尔原理出发,根据有效应力原理推导出饱和土体的二维动力固结方程,将其与孔隙水压力的计算结合起来,并利用有限单元法,即可对土坝(或地基)进行考虑孔隙水压力产生、扩散与消散的非线性土、水耦合振动系统的有效应力动力反应分析。本分析方法的特点是以动力固结方程为基础,将土体的振动与固结结合到一起考虑,较好地反映了土体在振动过程中的实际性态,比目前以太沙基或比奥静力固结方程为基础的静-动交替分析法更为合理。此外,比奥静力固结方程可作为动力固结方程的特例而得到。     

动水压力波高阶双渐近时域平面透射边界I:理论推导

为了准确模拟地震引起的动水压力波在半无限水库中传播引起的辐射阻尼,基于比例边界有限单元法构造了高阶双渐近时域平面透射边界。首先将描述半无限水库的连续波动方程转化为半离散的比例边界有限单元方程,然后通过特征模态变换将以动力刚度矩阵形式表达的控制方程解耦,获得模态动力刚度的连分式解答,再引入辅助变量将透射边界在频域的动力刚度表达等效为一个高阶矩阵方程,对其施加傅立叶逆变换后即得到时域透射边界条件。频域模态动力刚度的计算结果表明：该双渐近透射边界可以在全频范围内迅速逼近准确解,具有良好的收敛性能。     

基于三维黏弹性边界的混凝土重力坝抗震性能分析

为进一步推动三维黏弹性人工边界在坝工抗震领域的研究和应用,更为方便地实现边界设置和波动输入方法与大型商业软件相结合,基于黏弹性边界基本理论及ANSYS有限元软件中的弹簧—阻尼单元,编制了三维黏弹性人工边界程序,该程序可有效求出边界结点的等效荷载,从而可以实现黏弹性边界单元的波动输入。然后,通过数值算例验证得出地表位移最大值接近入射波幅值的2倍,说明该程序的计算结果具有较高的精度。最后,将黏弹性边界单元及地震波入射方法应用到巴基斯坦玛尔水电站典型溢流坝段的抗震分析中,计算结果显示,在设计地震作用下坝体的动力响应峰值较固定边界下可减小20%~40%,说明考虑无限地基阻尼影响是很有必要的。     

动水压力波高阶双渐近时域平面透射边界Ⅱ:计算性能

为了准确模拟动水压力波在半无限水库中传播引起的辐射阻尼，本文基于比例边界有限单元法构造了高阶双渐近时域平面透射边界。首先将描述半无限水库的连续波动方程转化为半离散的比例边界有限单元方程描述，然后通过特征模态变换将以动力刚度矩阵形式表达的控制方程解耦，获得了模态动力刚度的连分式解答，再通过引入辅助变量将透射边界在频域的动力刚度表达等效为一个高阶矩阵方程，对其施加傅立叶逆变换后即得到时域透射边界条件。频域模态动力刚度的计算结果表明：该双渐近透射边界可以在全频范围内迅速的逼近准确解，表现出优良的收敛性能。     

三维饱和地基人工黏弹性边界

本文针对中低频率工程振动问题,不计流体加速度,基于球面波动方程导出了无限大三维饱和地基人工黏弹性边界及其流量边界条件。在此基础上给出了具有人工黏弹性边界的饱和土体动力固结问题虚位移原理。根据有限元语言编写出算法脚本文件,并基于有限元自动生成系统(FEPG),生成了计算源代码程序。通过在无限大地基表面施加冲击荷载和突加荷载的数值算例,验证了所建立方程和程序的正确性。本文方法可以应用于三维饱和地基的动力固结问题数值模拟。     

考虑成层地基的黏弹性人工边界模型

为了将黏弹性人工边界条件用于成层地基模型的计算中,基于波动理论,推导了不同类型地震波的波幅比计算公式,采用延迟法考虑行波效应,完成了成层地基的自由场求解,得到了考虑地震波一次反射透射的等效荷载计算公式,最终建立了考虑成层地基的黏弹性人工边界模型。以SV波垂直入射为例,采用所建立的模型进行了重力坝的动力计算。结果表明,该模型满足工程抗震分析的精度要求,可以解决成层地基条件下,地震波垂直入射时考虑土-结构相互作用的结构动力分析问题。     

基于黏弹性边界的拱坝地震反应分析方法

无限地基的能量辐射效应是影响拱坝地震反应的一个重要因素。本文提出将一种新的黏弹性人工边界结合显式有限元的时域波动求解方法用于拱坝—地基系统的地震反应分析，地震动输入通过分别将底边界入射位移时程和侧边界自由场时程对应的解析应力时程作为边界荷载实现。该方法具有较高的计算精度，且不存在高、低频计算失稳问题。文中以小湾拱坝地震反应分析为例，比较了透射边界、黏弹性边界两种计算方法的计算结果，论证了本文建议方法的有效性。     

重力坝—库水—淤沙—地基系统的地震波动分析

将淤沙层模拟为液固两相饱和介质,并取计算边界(包括地基、库水上游和淤沙上游边界)至结构的距离L≥c T/2,采用逐步扩大有限元网格,避开地基、库水上游和饱和淤沙上游边界处能量反射问题,建立了重力坝—库水—淤沙—地基体系的动力有限元模型。采用该模型对一典型重力坝进行地震波动分析,结果表明,该模型相比传统方法能够有效降低坝体的应力、位移和坝面动水压力(孔隙水压力)。     

强震作用下循环水泵房结构地震动力破坏机理分析

无限域地基精准的数值模拟是解决结构动力学问题的重要方法之一。为研究地震动力持时过程中泵房结构在边界效应下的动力破坏机理及损伤发展规律,以某循环水泵房为例,应用黏弹性边界、动力无限元边界分别进行抗震时域分析,引入混凝土塑性损伤本构,验证无限元边界效应对波动能量的吸收效果。结果表明,位移响应规律中,无限元边界对波的远域能量逸散效果与黏弹性边界分析结果二者接近,并且无限元边界施加形式更为简单,建模效率高;强震响应下蜗壳环向、肘形流道弯管段底部及扩散段两侧容易出现损伤破坏现象,以上这些部位在泵房结构抗震设计中应加以着重考虑。     

饱和砂土的动力渗流变形计算

对地震作用下饱和砂土的孔隙压力和残余变形,作者曾根据孔隙水封闭在骨架中的假定提出一个有限单元的计算方法.本文将考虑孔隙水压力的扩散和消散,对饱和砂土同时进行动力渗流和变形计算. 整个计算过程分为地震阶段和震后阶段,每个阶段再划分若干时段.在第一个阶段中,每个时段需要同时进行动力反应分析及静力计算,震后阶段只进行静力计算.动力计算采用非线性等价粘弹性体模式.动力剪切模量和阻尼系数按修正后的哈丁(Hardin)等人的经验公式计算,并考虑动压应力与动剪应力的共同作用.文中建议了一组计算动力作用下残余体积应变和残余剪切应变增量的经验公式.静力计算按皮奥(Biot)固结理论同样的办法处理,并用初应变法把应变增量化为结点力. 作为算例,文末给出了砂层水平振动的计算结果.     

基于ABAQUS-Python无限元的动力人工边界研究

结构在地震数值模拟中会产生地基辐射阻尼问题,目前广泛采用的人工边界能够有效解决该问题,然而实现一般比较繁琐。基于无限元动力边界原理和波在弹性介质中传播理论,推导了剪切波和压缩波入射情况下,人工边界各侧面节点的等效荷载时程表达式。借助ABAQUS有限元软件中无限单元,给出了无限元-有限元联合建模方法,利用软件内嵌的Python脚本语言进行开发编程,实现边界节点上荷载幅值的自动生成和施加。算例结果分析表明,该方法计算结果精度较高,能够有效解决地基辐射阻尼问题。     

河道平面二维水流数值计算

本文应用破开算子法原理,将平面二维不恒定流基本方程按不同的物理意义破成对流、扩散和传播三个子方程。对对流方程,提出了基于特征线法的迭代解法,对扩散和传播方程,在局部区域内推演出同一形式的带源泊松方程,引入有限分析法求解,同时,利用边界对称点法,对河道二维计算中较困难的不规则边界计算问题作了较好的处理。     

高进水塔地震波斜波入射有限元分析

在水工结构抗震动力分析中,反应谱和时程分析都是基于地震波垂直入射来考虑地震荷载的影响,而实际地震波的传播方向往往是斜波入射。斜入射地震波会引起地面运动的非一致变化,从而对结构产生很大的影响。基于波动理论和黏弹性人工边界波动输入方法,采用有限元模拟地震波斜波入射,并比较在45°斜波入射情况下进水塔与基岩接触的上游建基面、塔背回填混凝土与塔身接触位置等关键部位的顺水流向和竖向加速度、位移、应力时程曲线,结果表明,采用黏弹性人工边界等效荷载方法可以实现地震波斜入射的输入,计算结果与理论分析结果一致。     

粘弹性地基中人工边界的波动反射效应

依据平面应变问题中的波动方程,从半平面地基和层状地基在分布谐振力作用下的位移场及应变场来确定粘弹性地基侧向垂直面上的波动总能量。通过数值计算,分析在不同激振频率下,波动在传递过程中能量的衰减规律,由此来评价人工边界的波动反射效应。     

土石坝复杂渗流场有限元分析

采用有限元法中的里兹法对大梁水库主坝进行渗流分析,以三角形为基本单元划分网格。离散渗流区域,并对复杂渗流边界进行合理简化,将地基与心墙分别建立有限单元总体方程。从而求出该渗流场运动要素在断面上变化。     

1976年7月28日唐山地震时密云水库白河主坝有效应力动力分析

本文采用二维有效应力动力分析方法分析了1976年7月28日唐山地震时密云水库白河主坝斜墙砂砾石保护层滑落的原因。文中对于计算模式和计算方法也作了较系统的阐述。用等参数静力有限单元法计算了白河主坝的非线性静应力,用等参数动力有限单元法计算了非线性动应力、反应加速度、振动孔隙水压力的产生、扩散和消散过程及其不同时刻的分布规律、地震引起的沉降(残余垂直位移)及其与时间的关系。最后,结合算出的孔隙水压力对保护层作了一般的稳定分析。分析结果指明,白河主坝砂砾石保护层滑落的原因是:在地震剪应力作用下保护层内积累了大量的残余孔隙水压力,导致保护层与斜墙接触面的有效应力减小,抗剪强度大量降低之故。     

基于OpenSees的二维黏弹性边界单元开发及应用

基于有限元开源软件OpenSees开发了二维黏弹性边界单元VS2D2Bar,采用数值算例验证了该二维黏弹性边界单元在程序实现上的正确性,并将其应用于重力坝地震响应分析。重力坝算例分析结果表明:与固定边界无质量地基模型相比,采用黏弹性边界单元分析得到的坝体动力响应峰值大幅度减小,在重力坝的地震响应分析中必须考虑无限地基辐射阻尼效应的影响;OpenSees适用于重力坝地震响应分析,编程开发和调试工作量较小,易于在复杂水工结构的静动力分析研究中推广应用。     

无限域波动问题中有限模型与无限模型差异的定性分析

本文从理论上研究了用有限模型和无限模型模拟无限域中的波动问题时所存在的差异。文中给出的有关分析结果表明:(1)在弹性介质情况下,无限摸型可对系统给出复数形式的复频响应函数或位移分布,这与无限域中波动问题的解析解相吻合;而有限模型只能对系统给出实数形式的复频响应函数,这与无限域中波动问题的解析解不相符合。说明在弹性介质情况下,有限模型不能反映无限域中的波动特性。(2)在粘弹性介质情况下,即使有限地基范围取得较大,有限模型所给出的数值结果与解析解的误差仍然很大,说明在用有限元法对无限域问题进行动力计算时,一般不宜采用有限模型,而应采用无限地基模型。     

拱坝坝体-地基动力相互作用的振动台动力模型试验研究

在振动台上进行拱坝动力模型试验时，设置人工阻尼边界，以模拟地震时地震动能量向无限远域地基逸散的地基幅射阻尼效应。选用液体作为阻尼材料，其厚度根据阻尼液体的黏滞系数、基础材料的弹性模量和密度确定。试验同时模拟坝体-地基-库水的动力相互作用和坝体伸缩横缝的动力非线性影响。通过数值对比计算分析，验证了同时计人上述诸多复杂因素影响拱坝系统动力模型试验研究的可行性。为今后进行类似试验研究，合理评价高拱坝的抗震安全，探索了新的研究途径。