多源散射黏弹性叠加人工边界探究及在桥梁工程中的应用

近年来黏弹性人工边界被提出,它在土-结构动力相互作用中得到广泛应用并取得较好的效果。但这些应用通常是在单个结构物的情况下进行的,即所谓单源散射问题。工程中会遇到多源散射问题,例如多跨桥梁、铁路路基等,其桥梁基础或轨枕是多个并且其分布的距离可能很远。这种情况下仍然采用单源散射问题的黏弹性人工边界,会产生一定的误差。针对这种情况,在原有黏弹性人工边界的基础上,提出多源黏弹性叠加人工边界,其适用于有多点内源输入荷载和多点地震动输入的情况。计算对比表明,在处理多源问题时,该方法能够在一定程度上提高黏弹性人工边界的精度。最后基于多源黏弹性人工边界理论对一5跨简支梁桥进行计算,计算表明,局部地形效应、土-结构动力相互作用及地震波入射角度等对桥梁在地震作用下的动力响应有一定的影响。     

黏弹性人工边界在ABAQUS中的实现及地震动输入方法的比较研究

为了确保大型复杂模型有限元数值计算过程的高效性及其地震反应结果的精度和可靠性,根据波场分离理论,推导与黏弹性人工边界相适应的地震动输入公式,给出一种提取边界节点控制面积的方法,并结合ABAQUS二次开发功能,编写相应的边界条件自动施加和地震动输入程序。在此基础上,选取垂直入射剪切波(SV)作用下的二维土体模型,对12种不同的边界条件与地震动输入方式的组合工况进行对比分析,并基于地震波在不连续分界面上的透射和反射原理,揭示黏弹性边界条件下加速度输入和位移输入不合理的机制。研究结果表明:对于黏弹性人工边界,采用等效节点力输入方法,数值计算结果与理论解基本一致,计算精度高;而采用加速度输入或位移输入的地震动输入方法,均会使黏弹性边界失效,计算结果严重偏离理论解。研究内容可为地下结构抗震分析中黏弹性边界的精确施加和地震动输入方法的合理选择提供参考。     

土-结构相互作用对隔震体系的影响

为研究地基-结构相互作用效应对基础隔震结构隔震效果的影响,以多层带地下室的基础隔震平面框架为研究对象,运用ANSYS有限元分析软件建立二维有限元模型,采用黏弹性人工边界来模拟无限域介质对计算区域的影响,利用等效荷载波动输入方法来实现地震波作用下人工边界上的波动输入,通过对不同场地类别下结构的动力特性进行分析,研究了考虑SSI时结构的地震响应。结果表明,考虑SSI效应会减小结构的自振频率,增大结构的动力响应,场地土较软时尤其显著;考虑SSI效应能减小隔震层相对于基底的位移量;软弱地基会降低隔震效果。     

地震分析中的人工边界及其在LS-DYNA中的实现

 地震分析中的局部人工边界由于具有易于实现、稳定性较好的特点,目前在时域有限元法中得到广泛应用。基于球坐标系的膨胀波(P波)和剪切波(S波)理论,引入无限介质线弹性本构关系,并采用多个平面子波和远场散射波混合透射,推导一种新的三维黏弹性人工边界方程。在有限元分析中采用边界单元作等效处理,并将地震加速度记录转化为基底边界单元上的等效节点力进行输入,建立一种新的地震反应数值模拟技术。最后以人防工程结构的地震分析为例,利用有限元软件LS-DYNA分析弹性边界、透射边界及黏弹性边界对计算结果的影响。数值模拟表明,黏弹性人工边界简单实用,可解决地震动输入和自由场响应模拟问题,能更好地模拟人工边界外半无限介质的弹性恢复性能和能量辐射作用,并验证其有效性。     

基于等效零时刻点的水平层状场地黏弹性边界方法研究

针对黏弹性边界下水平层状场地地震动输入中的时间延迟计算问题,提出了水平层状场地的等效零时刻点迭代时间延迟计算方法,并依托斯涅尔方程及地震波在分层界面上的连续性条件推导了人工边界上等效节点力的计算公式,得出了黏弹性边界下的水平层状场地斜入射地震动输入方法。建立两层地层三维有限元计算模型,进行动力响应分析,并将计算结果与理论值进行对比,验证了方法的有效性和实用性。应用方法进行等效节点力计算的过程中,可根据所求目标地震波的具体信息及其所在地层的具体条件直接求解,无需对所求地震波的全部来源依次进行分析,使得公式更为统一,在简化计算的同时保证计算精度及准确性,并拓展了黏弹性边界理论在水平层状场地斜入射地震动上的应用。     

地震作用下大型地铁车站结构三维动力反应分析

引入三维等效黏弹性边界单元,阐述波动散射问题的自由波场输入方法,推广应用于三维水平成层半空间模型,采用集中有限元质量模型和有限差分的概念将地震动场转化为施加在人工边界节点上的等效荷载。基于某大型地铁车站,利用大型通用有限元ABAQUS软件建立考虑土–结构动力相互作用的三维有限元整体计算模型,通过局部人工边界的施加,实现了开放系统向封闭系统的转换,对土–地铁车站结构动力相互作用的整体三维模型进行模态分析,得到车站以及地基的振型特征。分析地铁车站结构在SV波及P波地震波作用下的反应,得到相应的内力分布规律和结构不利位置。从分析结果可以看出,地震波横向SV波输入时对车站结构最不利,结构刚度突变位置的构件内力也存在突变,而P波对结构的轴力影响较大。     

成层地基非线性波动问题人工边界与波动输入研究

建立了考虑非线性效应的无限成层地基波动模拟的时域人工边界条件及相应的波动输入方法。首先，推导了线性阻尼介质中的一维人工边界公式，进而推广得到近似的二维人工边界方程：然后，通过等效线性化处理，获得了近似考虑远场成层地基非线性效应的人工边界：最后，建立了相应的波动输入方法。数值算例表明，所给出的人工边界与波动输入方法具有良好的精度，可以方便地应用于成层地基非线性波动问题的研究。     

基于等效一致黏弹性边界的重力坝抗震分析

在结构-地基的抗震动力分析中,有限元法通常是通过对模型施加弹簧-阻尼器或者无质量地基的方法来模拟地震的辐射阻尼效应,其工作量较大。在ADINA程序中采用等效三维一致黏弹性边界单元对三维黏弹性人工边界进行模拟,建立三维有限元模型,在模型的边界上延伸一层实体单元,利用黏弹性边界的弹簧-阻尼器的系数公式推导出边界单元的弹性模量和阻尼系数,并赋值给边界材料参数。利用地震响应时程分析法,对带有等效一致黏弹性边界的重力坝模型计算得出的结果与以无质量地基的方法来阻止地震波在边界反射的计算结果相比较,得出使用等效三维一致黏弹性边界来模拟地震辐射阻尼的抗震性能更好,可大大减少建模工作量,为复杂结构进行抗震分析提供了新的方法。     

深厚软土场地中三维凹陷地形非线性地震响应分析

采用黏弹性人工边界并结合地震动输入等效结点力法实现半无限场地的波动输入,采用等效线性法模拟土体的非线性特征,基于有限元软件ABAQUS,建立弹性基岩上覆深厚软土中三维凹陷地形非线性地震响应分析模型。通过与文献比较,验证了整体模型的精度。以天津地区某一浅椭球凹陷地形为例进行数值计算,比较了非线性地震响应与线性地震响应的差别,并进一步分析了三维凹陷地形对非线性地震响应造成的影响,最后计算了在地震安全性评价人工波作用下三维凹陷地形的非线性地震响应。研究表明,土体的非线性特征对三维凹陷地形地震响应有显著影响。研究还发现一个特殊现象,即凹陷地形中心附近的非线性地震响应可能会大于其线性地震响应,且地震激励幅值越大,这一现象越明显。对于三维复杂局部场地的非线性地震响应研究,模型具有一定的参考价值。     

土-结构相互作用中侧向人工边界的影响

采用通用有限元程序ANSYS,针对某一桥墩与地基土层相互作用进行了二维有限元计算,并分析4种侧向人工边界时的影响。计算中均匀地基土体的本构模型采用ANSYS程序里的D rucker-Prager模型,通过地震波输入,对土体4种人工边界进行计算讨论,并确立粘-弹性人工边界作为土体的侧向边界。     

结构-地基开放系统动力相互作用问题的高效解法

应用黏弹性人工边界将结构-地基开放系统转化为近似的封闭系统,利用等效地震波动输入方法将波动散射问题化为波源问题,再采用振型叠加法对近似封闭系统进行分析,由此建立了一种结构-地基开放系统动力反应问题的高效计算方法。采用高效算法分别计算了二维弹性半空间波源问题和地震作用下结构-地基动力相互作用问题算例,并与采用常规的直接时域逐步积分法给出的计算结果进行了对比,由此讨论了高效算法的特点。与常规直接动力分析方法相比,高效算法可以在确保模拟精度的同时,有效降低计算工作量、节省计算时间,并且结构-地基动力相互作用系统的模型越大、自由度越多,高效算法的优越性就越突出,从而为大型结构-地基系统动力相互作用问题数值分析提供了一种高效而精度足够的解法。     

高速铁路无砟轨道路基动力特性数值模拟和试验研究

高速铁路无砟轨道改变了传统有砟轨道的结构形式,导致列车荷载在基床结构中的分布及传递特性发生变化,研究列车动荷载作用下轨道/路基系统动力相互作用问题已经成为高速铁路路基结构设计中考虑的主要问题.将三维一致黏弹性人工边界单元引入ABAQUS有限元软件,建立以连续轴重荷载组成列车荷载、采用一致黏弹性人工边界单元作为边界的三维无砟轨道/路基有限元模型,选取国家轨道试验中心的无砟轨道结构参数计算得到路基动应力,并与动车组CRH2运行的实测数据进行对比.结果表明两者具有较好的一致性,从而验证了该人工边界单元在无砟轨道高速铁路路基动力响应分析方面的有效性.该边界的成功应用为缩小计算模型、缩短计算时间和提高计算精度提供了解决方案,使得高速铁路路基动力响应的实现变得简单和方便,在个人电脑上即可方便地进行三维计算分析.     

岩石非定常蠕变模型辨识

在页岩蠕变试验数据基础上,分析岩石黏弹性变形随应力水平不同和时间发展的变化规律.通过反分析方法建立一维情况下非定常黏弹性模型的蠕变方程,通过应变的理论计算结果与试验结果的对比发现,不考虑参数的时间相关性将引起较大的误差,而考虑参数的时间相关性的非定常黏弹性模型比定常黏弹性模型可更为准确地反映岩石的黏弹性变形性能.在软岩巷道二维非定常蠕变模型辨识的工程实例中,事先假定围岩为黏弹性和黏弹塑性两种不同力学模型,并分别考虑参数为定常和非定常两种情形,在已知现场量测位移条件下,利用位移反分析并根据一定的准则函数求其不同模型中的参数及相应的准则函数值,由各个模型相应的准则函数值大小,判定最佳模型.在假定的一组模型里,发现非定常黏弹塑性模型为最佳模型.     

不同坡度条件下岩溶区隧道的地震动力响应

虽然相比于地面构筑物,地下结构具有良好的抗震性。但近年来研究发现,岩溶地质条件下隧道结构仍会出现严重的震害,且震害的程度也会随隧道所处地形差异而不同。为研究其地震动力特性,借助ABAQUS有限元软件,以福建某一隧道为依托,基于黏弹性人工边界建立二维有限元计算模型,分析了不同坡度下岩溶区隧道的地震动力响应,得到了衬砌结构各监测点的应力、位移以及围岩最大塑性区变化情况。     

2.5维有限元分析饱和地基列车运行引起的地面振动

从饱和土的Biot波动方程出发,通过对时间的Fourier变换得出频域内的波动方程,再结合边界条件利用Galerkin法推导出频域内的u–p格式的有限元方程。把轨道视为饱和地基上的Euler梁,通过沿轨道方向的波数变换将三维空间问题降为平面应变问题。将平面应变问题解答沿轨道方向进行波数扩展,最后通过快速Fourier逆变换求得三维时域–空间域内的地面振动响应。假设体波波阵面为半圆柱形式,推导出了适合饱和多孔介质2.5维有限元的黏弹性人工边界。验证了计算模型。结果表明：车速低时,弹性介质的竖向位移大于饱和介质;高速时,饱和介质竖向位移大于弹性介质。车速略微超过饱和土剪切波速时地面产生振动增大现象,随车速进一步增加位移幅值又逐渐减小,但随距离的增加衰减变慢,且得出了不同车速时孔隙水压力随深度的变化曲线。     

粘弹性边界下层状半空间的波动响应

基于三维粘弹性人工边界,利用大型有限元软件ANSYS计算层状半空间在波动作用下的动力响应。首先,推导了相应于粘弹性人工边界的地震动输入公式,给出了地震动的输入方法;然后,计算层状半空间在垂直入射波作用下的动力响应,通过与解析解的对比,验证了粘弹性人工边界的正确性与合理性。     

考虑P波斜入射下海底沉管隧道三维地震响应分析

沉管隧道是连接海域和陆域的交通枢纽,对我国经济和社会发展的推动作用巨大,其地震安全性至关重要.根据三维黏弹性边界基本理论,基于黏弹性边界的等效荷载理论和输入方法,探讨了地震波斜入射时等效荷载的实现方法,并通过算例验证了地震波斜入射时等效荷载输入方法的合理性.在此基础上以大连湾海底沉管隧道为工程背景,建立三维土层及沉管隧...     

考虑SSI的自复位框架抗震性能研究

通过土体人工黏弹性边界条件以及地震动等效节点的输入机理,结合体外预应力摇摆框架的新型结构控制抗震结构体系,采用有限元分析软件ABAQUS,建立了两种材料类型的自复位框架的三维模型,利用MATLAB软件编写程序实现了等效节点的输入以及黏弹性边界条件的施加.对两种不同材料的自复位框架进行了模态分析及动力时程分析,分析了各自...     

粘弹性人工边界ABAQUS二次开发及应用

在地震作用下,采用无质量固定边界模型会引入不真实的反射地震波,无法模拟地震波的远域能量逸散效应。基于波动理论及ABAQUS有限元软件二次开发功能实现了粘弹性单元的开发和外源波动的输入。采用粘弹性人工边界模拟地震波外源波动的远域能量逸散效应,并与固定边界模型计算结果比较。数值模拟结果表明粘弹性人工边界计算结果更接近地震波的真实传播。开发的粘弹性人工边界单元提高了ABAQUS的适用性,对促进大型或复杂工程的粘弹性人工边界波动分析具有潜在的应用价值。     

基于波动理论的高进水塔非线性有限元分析

进水塔是发电引水和泄洪系统中的咽喉性水工建筑物,其结构性能与安全关系到电站正常运行甚至整个大坝与枢纽的安危,是保障电站效益的关键性建筑物。常规的弹塑性模型由于没有考虑到损伤对结构强度的影响,难以模拟破坏时由于内部损伤累积导致的变形增加和承载力降低。为分析进水塔结构在强震作用下的力学行为和结构性能,引入损伤弹塑性模型,对混凝土进行材料非线性计算,着重分析混凝土开裂以及由此而引起的应力重分布现象。同时为消除固定边界虚假反射地震波的影响,基于波动理论在ABAQUS平台上开发用户自定义单元,实现了黏弹性人工边界地震波数据的输入。数值结果表明人工边界较固定边界计算结果更合理及精确,能够消除固定边界虚假反射地震波的影响,较好地模拟结构-地基动力相互作用。