考虑流固动力相互作用的大型渡槽地震响应研究

根据符拉索夫及豪斯纳尔理论建立考虑槽内水体与渡槽槽身流固耦合的渡槽薄壁结构空间地震响应计算模型,该模型综合考虑了渡槽横向、竖向、纵向、自由扭转变形、约束扭转变形以及槽内水体对槽身的流-固动力相互作用等。由能量变分原理推导给出了渡槽薄壁梁段单元刚度矩阵及质量矩阵,按粘滞阻尼假设建立了渡槽结构阻尼矩阵。利用该模型对南水北调中线水利工程某大型渡槽进行了多工况地震时程响应计算。计算结果说明在地震作用下,渡槽槽内水质量对渡槽的横向地震响应有较大影响,在大型渡槽抗震设计计算时应予以重视。本文模型计算简单易行,是考虑槽内水体流固耦合作用的渡槽薄壁结构实用的地震响应计算模型,计算结果可为大型渡槽的抗震设计提供参考。     

桩土作用对渡槽动力特性影响分析

现有的渡槽数值研究中,都将结构底部作刚接的简化处理,人为地增大了结构的刚度,与实际情况不相符合.本文基于势流体假设建立渡槽-水流固耦合二维联体式渡槽模型,分别计算比较刚性地基约束情况和考虑桩土作用的弹性地基约束情况下的渡槽结构在不同水深工况下的计算结果,分析各工况下土-结构相互作用的影响变化.结果表明,槽内水体作用和槽底桩土作用均使结构自振频率降低,并且前者对后者的影响不容忽视.     

风荷载下超高层建筑上部结构与桩筏基础共同作用桩顶反力计算研究

共同作用分析是考虑上部结构与地基基础相互影响的动态调整过程,基于上部结构—桩筏基础-地基土的相互作用进行风荷载下共同作用的流固耦合数值计算。借助流体动力学采用大涡模拟方法,建立考虑风—结构流固耦合数值计算模型,并运用MpCCI软件进行流固耦合面上的数据传递,以实现流体、固体相互作用。计算结果表明,较静载相比,风荷载引起的桩顶反力变化值不超过静载下的5%。计算方法和计算结果可以为风荷载作用下对地基基础的研究和流固耦合问题分析提供参考。     

成层地基–桩基–结构动力相互作用体系的计算分析

以一个1∶2大比例模型结构–地基的动力相互作用模型试验为基础,结合通用有限元程序MSC.Marc,对成层地基–桩基–结构动力相互作用体系进行了三维有限元分析。计算中采用考虑土非线性特征改进的黏弹性人工边界模拟外部土域,利用考虑动力相互作用中桩土分离、滑移以及桩基提离效应的接触模型反映桩土接触界面特性,并引入阻尼项表征桩土动力作用中的能量损耗,土体采用等效线性模型。通过计算分析与试验的比较研究,验证了计算模型和分析方法的合理性,进行了地震动输入下的地震反应分析,为地基–结构动力相互作用的进一步研究奠定了基础。     

流固耦合系统位移-压力有限元格式在渡槽动力分析中的应用

考虑FSI的边界条件,采用变分原理建立了流固耦合(FSI)系统的位移-压力(ui,p)有限元格式,给出流固耦合系统的动力特性方程。建立了矩型和U形渡槽的动力学分析的FSI模型,以非对称特征值求解法求解了大型渡槽的动力特性,并用隐式-显式积分算法计算了强震作用下大型渡槽的动力响应,计算结果表明,基于(ui,p)格式的流固耦合系统有限元分析格式,考虑了槽体与水体的相互作用,简化了计算模型,提高了计算效率和精度,同时也得出不同过水量下两种渡槽结构动力特性和响应的变化规律等结论,可为大型渡槽及同类工程动力设计提供参考。     

基于桩-土非线性动力分析改进的Winkler模型

一种数值模型用来研究地震作用下桩基础反应,在Winkler模型基础上,考虑了桩的柔性与能量耗散及辐射。模型用来研究桩-土-结构共同作用分析,包括桩土非线性效应,考虑桩土体系非线性及其在强震作用下会产生大的变形,桩采用材料与几何非线性的梁-柱元相同,而土体假想为沿桩长段均匀的非线性弹簧-阻尼器,进而采用修正的Ramberg-Osgood模型。利用剪切模量与阻尼一个关系导得土的阻尼。为了模拟土中辐射阻尼效应,桩与土采用粘性阻尼器连接。模型同文献中的振动台测试对比表明,该模型与测试结果较吻合,进而为强震作用下桩土分析提供一种数值分析方法。     

大型渡槽结构地震响应分析

大型渡槽槽身采用薄壁杆件结构,渡槽支架与槽身采用盆式橡胶支座连接,根据此结构特点,提出了大型渡槽结构地震响应分析模型.该模型综合考虑了渡槽槽身横向弯扭耦合振动、约束扭转变形、渡槽支架变形和盆式橡胶支座等对渡槽动力响应的影响.采用能量原理给出了渡槽梁段单元的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵的表达式.具体计算了某大型渡槽的地震响应,计算结果表明本文模型计算渡槽结构的地震时程响应与大型结构分析程序SAP93计算的结果十分接近,但本文方法相当简单,计算工作量小,使用方便,是大型渡槽结构地震响应计算的实用模型.     

桩–土–隔震结构相互作用地震响应分析

本文在Penzien模型的基础上,建立了隔震结构考虑桩土相互作用(SSI)的计算模型,推导了其运动方程,分析了桩土相互作用对隔震结构的影响,同时,对地震动自由场输入和桩端输入对隔震结构的影响进行了比较。分析结果表明桩土相互作用对隔震结构地震响应有一定影响,但其影响比非隔震结构小得多,因而,在一般的隔震结构设计中,可以不考虑SSI的影响。     

随机地震激励下群桩-土-桥墩相互作用分析

考虑地震动的随机性,利用复反应分析技术,采用随机地震反应计算方法对某一特大型桥梁群桩基础与土动力相互作用效应进行了数值试验研究。将土与群桩体系视为一个整体进行有限元离散,采用等效线性化方法考虑土体的动力非线性性能。将桥墩-群桩-土相互作用体系与自由场随机地震反应进行比较,结果表明:相互作用效应的影响与桩土模量差异以及土体与群桩基础距离有关。软土层剪应变水平及分布发生了显著变化,群桩基础两侧附近土域剪应变呈现明显的弧形分布;地表及浅层土体最大地震加速度反应有所减小,但覆盖层中下部土体加速度反应峰值明显增大,增幅达5%~30%左右;此外,地震地面运动的频谱成分存在显著差别。桥梁桩基础抗震设计中应充分考虑桥梁结构-群桩-土相互作用效应。     

地震作用下可液化土的数值模拟与试验验证

将有限差分法程序用于可液化土的地震响应分析,采用动力和流体的流固耦合理论分析了振动过程中土体孔隙水压力的产生、扩散与消散,并对液化场地桩-土-结构相互作用体系振动台试验进行了三维数值模拟;通过与振动台试验数据的对比分析,验证了计算模型的可靠性和合理性。结果表明：采用的方法能较好地模拟可液化土的动力特性,所得结论为液化场地土-结构相互作用体系动力分析提供了参考。     

桩-土-结构相互作用下的Pushover分析

利用SAP2000有限元软件,对考虑桩-土-结构相互作用的高层框架结构进行了Pushover分析。分析计算过程中建立了考虑桩-土-结构相互作用的有限元模型和文克尔梁模型。研究结果表明:考虑桩-土-结构相互作用的Pushover分析方法可以简便、有效地预测桩-土-结构体系的地震反应;文克尔梁模型更方便实际工程应用。     

地下结构动土压力简化计算方法研究

基于波动力学理论,考虑土–结构动力相互作用、土介质特性及地震波的传播特性,提出了地震作用下地下结构的动土压力简化抗震设计方法。首先,将土–地下结构体系简化为单自由度的质量–弹簧–阻尼体系。其次,通过建立该体系的波动方程,并进行求解,将自由场响应换算为作用在结构上一点的动土压力,并结合结构周围土体的自由场响应分布特征,可得整个结构上的动土压力分布。最后,以振动台试验结果为基础进行了简化方法的验证,得出本文提出方法能够与试验结果吻合很好。该方法具有概念明确、计算简便、计算效率和精度高等特点,能够求解各类地下结构的地震反应,为地下结构的抗震设计提供了一种简单、实用的工具。     

考虑桩土相互作用的单管塔整体分析

单管塔采用钢桩基础时,通常为单桩基础形式,其刚度较弱,不能完全形成对上部结构的嵌固。本文基于m法考虑桩土相互作用,对塔体及钢桩进行整体结构分析。与传统独立式分析方法相比,考虑桩土相互作用对结构周期、位移均有较大的影响。分析结果表明,当采用独立分析法时,应考虑钢桩桩顶转角和位移对单管塔结构的位移影响,该影响可采用近似方法计算。针对钢桩基础刚度提出了采用钢-混凝土复合截面的增强方式,对等截面和锥形截面复合桩进行计算分析,结果表明可较好地改善上部结构及桩顶变形。     

桩径对桩-土-结构共同作用时的抗震性能的影响

根据上海某高层建筑地基基础结构数据建立软土地基上桩基础高层建筑平面动力有限元计算模型,以横观各向同性材料模拟软土地基,弹性阻尼人工边界模拟地基半无限体,薄膜单元模拟桩-土间接触滑移性能,并考虑桩-土-结构相互作用,采用上海地铁某车站地震监测数据作为地震波输入进行动力有限元计算。基于此计算模型,在其他条件不变的情况下选择各种桩基直径进行计算,根据计算结果分析讨论了在该模型条件下桩径选择对上部结构以及桩基础整体抗震性能的影响,提出了优化方案,进行总结并得出结论。     

非饱和土地基中端承桩对SH波的水平地震响应

为探讨非饱和土地基中SH波作用下端承桩的水平地震响应,先基于一维波动理论得出SH波引起的土层自由场水平振动解,然后考虑非饱和土体动剪切模量随其饱和度的变化特性,采用三维连续介质力学和Euler梁模型建立轴向静荷载下非饱和土-端承桩水平耦合振动模型,进而通过引入势函数和分离变量法推导出桩顶水平位移相互作用因子、桩顶水平位移放大因子和桩身曲率比的表达式,经与已有成果对比验证后再经参数分析,获得土体饱和度、桩身长径比和土体黏滞阻尼对桩身水平抗震特性的影响规律：土体饱和度和桩身长径比仅在高频范围对相互作用因子和放大因子有显著影响;土体黏滞阻尼仅在共振频率使得相互作用因子和放大因子分别逐渐增大和减小。     

考虑桩-土-桥梁结构相互作用振动台试验研究

实验室进行相互作用试验对进一步认识和完善桩 -土 -结构相互作用研究有十分重要的意义。本文设计实现了一个进行桩 -土 -结构相互作用试验研究的土箱模型 ,并在振动台上进行了自由场模型试验 ,通过自由场土层反应理论分析检验了土箱设计的合理性。在此基础上进行了单柱桩墩模型、单柱墩 2× 2模型、双柱墩 2× 2模型和双柱墩 3× 2模型的试验 ,探讨了不同桩基形式和桥墩结构在不同输入地震动下的地震反应规律及结构破坏特征 ,对比研究了单柱墩与双柱墩桥梁抗震性能 ,为进一步验证和研究相互作用理论分析提供了基础数据     

基于流–固耦合的近海风电基础地震反应分析

结合近海风电单桩及四桩基础支撑体系工程实际场地资料,采用有限元数值分析方法,考虑水–土–结构动力相互作用,即考虑流–固耦合效应、饱和土的多孔介质渗流属性及桩–土接触相互作用,分析结构体系动力特性及地震反应。分析单桩有水与无水及四桩有水与无水4种工况支撑体系的自振特性和单桩有水与无水2种工况支撑体系的地震反应。结果表明:水层对结构低阶频率影响不大,对高阶频率降低幅度较大;水层对体系的水平位移、竖向沉降、峰值加速度及有效应力均有不同程度地削减;地震作用下土体的超静孔隙水压力呈现波动特性;结构的位移及应力响应均能满足规范要求。证明考虑多介质耦合的动力有限元分析方法是解决复杂海上风电基础地震响应的有效方法。     

高层建筑结构-桩-土共同工作空间分析

本文研究了目前尚不成熟的高层建筑结构-桩-土共同工作的空间问题。从计算应力系数着手,考虑桩-土之间的相互作用,计算土变形;运用导得的计算地基应力系数的解析式,极大地提高了计算速度和精度。推导了体系共同工作方程,并研制了通用程序,使较大型的高层建筑结构-桩-土共同工作空间分析成为现实。本文还分析了上部结构逐层施工、承台刚度变化、土层变化、桩距变化等情况对沉降、承台内力、桩顶反力、上部结构内力的影响,并获得了该体系规律性的结论。     

考虑负摩阻力的刚性桩复合地基桩土应力比计算

在考虑桩体负摩阻力作用的条件下,针对刚性桩复合地基中桩-土-垫层相互作用特点,引入"中性点"概念和改进后的弹塑性荷载传递模型,并考虑桩顶对垫层的上刺入变形以及桩端对下卧层的下刺入变形,通过桩-土-垫层的竖向变形条件推导得到了刚性桩复合地基桩土应力比计算新公式。应用该计算方法对工程实例进行分析后结果表明,当桩侧摩阻力发挥到一定程度时,计算结果与实际情况十分接近。     

不同土介质模型对相互作用体系地震反应的影响分析

土的动力计算模型及其参数的确定是土-结构动力相互作用分析的一个重要内容.利用有限元方法建立场地自由场和土-结构相互作用分析模型,分别采用线弹性模型、等效线性模型和Drucker-Prager理想弹塑性模拟地基土,探讨了不同强度地震动作用下Drucker-Prager模型的适用性问题,分析了不同土介质模型对土-结构相互作用体系地震反应的影响.结果表明,在场地非线性地震反应分析中,只有当输入加速度峰值在80～100 gal时,Drucker-Prager模型与等效线性模型计算结果是接近的,考虑土-结构相互作用后,两种模型计算所得的承台加速度和结构顶层加速度误差分别在8%和10%左右.因此,工程应用中应关注土介质模型的选用.