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。     

考虑土-结构动力相互作用的冷却塔地震响应分析

大型高耸钢筋混凝土冷却塔属于典型的风敏感型结构,近年来在地震、飞机撞击、爆破等极端外部作用下动力响应研究也得到了工程界的广泛关注。土-结构动力相互作用效应(Soil Structure Interaction,SSI)对于大坝、桥梁等类型工程结构地震响应的影响研究成果较为丰富,而对冷却塔结构体系的影响程度方面很少涉及。依据弹性波动理论结合有限单元法,建立和推导了考虑土-结构动力相互作用的三维黏弹性人工边界模型和公式,并通过半空间自由场模型验证该地震动输入方法的准确性。以国内实际工程项目——某火电厂大型冷却塔为研究背景,以通用有限元程序ANSYS为平台,分别建立了冷却塔刚性地基模型、无质量地基模型和黏弹性人工边界模型,开展模态分析及弹性时程分析,研究不同计算模型相应的动力特性及内力变化,探讨了土-结构动力相互作用的影响规律。研究结果表明:考虑刚性地基,冷却塔结构体系自振频率分布十分密集,绝大多数振型为环向谐波和子午向谐波组合的局部振型;考虑弹性地基后,结构的自振频率略有降低,整体振型较早出现。通过时程分析可知,采用黏弹性人工边界模型,考虑无限地基辐射阻尼效应,与刚性地基模型相比,塔筒的绝对加速度最大值降低43.4%,塔筒沿子午向弯矩轴力幅值降低约50%,而环向内力却均显著提高,X支柱内力幅值降低约20%~50%.因此,在进行冷却塔地震响应分析时,土-结构动力相互作用的影响不可忽视。     

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。     

弹性地基板的无界边界元—有限元耦合计算法

本文应用无界边界元－有限元耦合法对弹性地基上的薄板进行了计算。弹性薄板采用有限元离散，弹性半无限地基应用边界元离散，并应用无界边界元模拟半无限体表面的无限性，通过板与基础接触面位移和力的协调性（光滑接触），建立了弹性地基和板的综合算式。计算结果表明，本文方法具有工作量少、精度高等优点，非常适合于机场道面工程及其它基础工程。     

地下隧道工程地震动分析的有限元－人工透射边界方法

采用有限元－人工透射边界方法计算了含有地下隧道工程的地基在ＳＨ波和瑞利波作用下的地震动反应，讨论了各自不同的地震动特性。并通过与边界积分方法比较，验证了有限元—人工透射边界方法对解决此类问题的有效性。     

地下隧道工程地震动分析的有限元－人工透射边界方法

采用有限元－人工透射边界方法计算了含有地下隧道工程的地基在ＳＨ波和瑞利波作用下的地震动反应，讨论了各自不同的地震动特性。并通过与边界积分方法比较，验证了有限元—人工透射边界方法对解决此类问题的有效性。     

考虑提离-滑移效应的核电结构-界面-地基相互作用模型研究

强震作用下,核岛公共筏基可能发生的提离-滑移对结构受力影响明显,精细模拟建基面的接触状态并将结构-界面-地基作为整体分析,有助于明确提离-滑移效应对结构地震反应的影响机理。采用罚函数法接触模型模拟筏基-地基间的接触力学行为,等价线性法描述地基土的动力非线性,黏弹性人工边界模拟半无限地基的辐射阻尼条件,建立考虑提离-滑移效应的结构-界面-地基相互作用模型。进而,以AP1000核岛厂房为例,考虑静-动力综合作用,对比筏基-地基绑定简化模型,结构加速度响应峰值及楼层谱的峰值和形状均发生了明显变化,表明强震作用下筏基提离-滑移对抗震安全性造成不利影响,在核电结构抗震设防时应加以考虑。     

下卧饱和半空间粘弹性土层上基础阻抗函数的分析

由于地下水的影响,实际土层一般由含水土层和不含水土层组成。由于求解的复杂性,目前基础阻抗函数的求解中很少考虑这种地基情形。根据干土是饱和土的特殊情形这一事实,通过将液相压缩模量、孔隙比以及惯性耦合质量密度取为零,可以使干土的动力反应统一到饱和土动力反应求解方案中,从而可通过饱和地基上基础阻抗函数的一种求解方法,解决饱和土和干土并存时基础阻抗函数的求解问题。地基无限域的影响通过局部透射人工边界考虑。通过算例验证了该方法的可行性,并考察了干土层厚度以及基础埋深对动力阻抗的影响。     

大比例模型结构-桩-土动力相互作用试验研究与理论分析

介绍了一个土-桩-框架结构1/2比例模型动力相互作用野外试验研究,通过对模型进行地脉动测试得到了其基频,并分别在忽略重力、欠人工质量、人工质量三种工况下进行了模型的顶部牵引激励试验和顶部机械激励试验,且在时域和频域内分析了试验结果,得到了一些有益结果。此外,研究了考虑土体动力非线性特征的粘弹性人工边界,提出了考虑桩土动力相互作用中桩土分离、滑移以及基础提离效应的接触模型,并引入阻尼项表征桩土动力作用中的能量损耗。建立了试验模型结构的三维有限元分析模型,通过对模型试验的模拟计算验证了有限元模型的可靠性,进而进行了不同地震动输入下的地震反应分析,总结了一些规律性结果。     

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。     

考虑动力相互作用的地下平面钢框架地震反应分析

建立了一种考虑结构与围岩动力相互作用的地下离壁式框架结构地震反应有限元分析模型,该方法采 用杆系模型模拟框架构件,围岩采用平面应变单元,在人工边界截取问题上采用了多次透射公式。在此基础上,对某拟 建大型地下多跨多层钢结构建筑的地震反应进行了分析,结果表明离壁式建筑设置水平支撑对改善结构构件的内力特 征具有明显的作用。     

Transient analysis of three-dimensional dynamic interaction between multilayered soil and rigid foundation

The study of dynamic soil-structure interaction is significant to civil engineering applications, such as machine foundation vibration, traffic-induced vibration, and seismic dynamic response. The scaled boundary finite element method (SBFEM) is a semi-analytical algorithm, which is used to solve the dynamic response of a three-dimensional infinite soil. It can automatically satisfy the radiation boundary condition at infinity. Based on the dynamic stiffness matrix equation obtained by the modified SBFEM, a continued fraction algorithm is proposed to solve the dynamic stiffness matrix of layered soil in the frequency-domain. Then, the SBFEM was coupled with the finite element method (FEM) at the interface to solve the dynamic stiffness matrices of the rigid surface/buried foundation. Finally, the mixed-variable algorithm was used to solve the three-dimensional transient dynamic response of the foundation in the time domain. Numerical examples were performed to verify the accuracy of the proposed algorithm in solving the dynamic stiffness matrix of the infinite domain in the frequency domain and the dynamic transient displacement response of the foundation in the time domain. Compared with the previous numerical integration technique, the dynamic stiffness matrix in the frequency domain calculated by using the proposed algorithm has higher accuracy and higher efficiency.     

基于逐步扩大网格法的饱和无限地基动力分析

饱和无限地基的动力分析是研究结构与饱和土共同作用的基础。当用有限区域模拟饱和无限地基时,将在人工截取的边界上发生波的反射,导致模拟失真。该文基于远置人工边界的原理,采用逐步扩大网格法的思想来解决这一问题。并通过算例验证了该方法的精度。该方法避免了饱和介质中其他人工边界实施上的繁琐,并且避开了其它人工边界存在的大角度入射情况以及稳定性问题等不确定因素,可以用于饱和介质中其他人工边界条件的检验工作。     

大型沉井基础地震反应分析中侧向边界的影响

以苏通大桥沉井基础方案为例,通过数值分析,分析土层侧向人工边界设置位置对沉井基础地震反应计算的影响。探讨了土层和结构地震反应随土层计算范围不同而变化的规律。为在计算大型沉井基础的地震反应有限元分析中,合理确定有限土域范围提供依据。当土层单侧外延为土层厚度的4倍时,土层中人工侧向边界对沉井地震反应(如单元的弯矩、剪力和轴力等)的影响可以控制在1%的相对误差之内。     

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...     

正交各向异性板动力响应的边界元方法

本文讨论了正交各向异性板动力响应的边界元方法,发展了一种新的求近似基本解的方法,由该方法得到的基本解,给出了弹性薄板诸问题近似基本解的统一形式。应用这个基本解,得到了正交各向异性板和弹性地基板稳态强迫振动的边界元方程。文中的算例表明,本文的方法具有相当高的精度。     

澳凼第三大桥斜拉桥的动力特性及线性地震反应分析

结合一座澳门澳凼第三大桥斜拉桥的工程设计实例,采用大型有限元分析程序 ANSYS,选取空间BEAM188、BEAM4 及 SHELL63 单元建立动力计算模型,对比研究了主塔墩底在假定固结和考虑桩土共同工作这两种边界约束处理方式下的动力特性。采用反应谱法和时程分析法对该桥进行了线性地震反应分析,讨论了在两种振型组合方法和三组振型数情况下结构地震响应的最大值。在时程分析中,合理地选取三条地震波分别沿桥的纵、横向输入,得出了主梁和中塔的内力、位移分布规律及时程响应。     

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.