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。     

多源输入条件下的黏弹性人工边界研究

应用弹性波动理论,推导多源输入条件下的二维时域人工边界条件。首先基于二维波动方程建立两个波源时二维黏弹性人工边界的法向和切向方程,提出相应的数值模拟方法,并通过简单模型的波动问题进行验证。最后将多源输入条件下的二维黏弹性边界扩展至三维条件,模型验算结果表明多源输入条件下的黏弹性边界亦适用于三维模型。     

基于FLAC3D的斜入射地震波作用的数值模拟方法研究

地震动输入是进行土层场地或土-结构相互作用体系地震反应分析的重要一步。通过波场分解,将人工边界上的波动场分解为自由波场和散射波场,其中人工边界上的自由波场根据波在自由表面的反射理论求得,散射波场由黏性人工边界直接吸收,进而在人工边界上施加等效荷载实现斜入射地震波作用的输入。借助MATLAB辅助计算程序和FLAC3D的前后处理功能,进行不同角度(0°和30°)入射条件下SV波作用的时域数值模拟计算,数值解和理论解吻合较好。算例表明,采用黏性人工边界和等效荷载输入方法具有较高的计算精度,建立的数值模拟方法为土层场地和土-结构动力相互作用在地震波斜入射下的反应分析提供了简单易行的计算途径。     

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。     

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–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。     

地下结构地震反应分析中确定侧向边界的等效土柱模型

地基土体边界条件的确定是土-地下结构动力相互作用(SSDI)问题中的一个重要环节。基于剪切波在土柱中的传播理论,提出一种通过等效土柱模型确定SSDI问题中土体远置自由边界尺寸的方法,即建立土-结构相互作用模型,同时建立有相同土层特性的可代表水平成层无限半空间的等效土柱模型,对二者施加相同的输入地震动激励,当二者土层边界顶部的反应满足相对误差条件时,所选取的土-地下结构体系土体边界尺寸满足波传播的要求。以一个地下隧道工程为背景,基于ABAQUS有限元数值计算平台,应用等效土柱模型确定其远置自由边界尺寸。在此基础上,建立合适尺寸的自由边界模型并对其施加近似粘弹性人工边界及动力无限元边界条件,与通过等效土柱模型确定的自由边界模型的结构反应进行了对比,考察了不同边界条件的设置对结构动力反应的影响。结果表明:对该土-地下隧道工程,通过等效土柱模型确定的可以满足波传要求的自由边界为1 200 m时可控制相对误差在2%以内;自由边界模型与设置了近似黏弹性人工边界及动力无限元边界模型的结构动力反应符合较好;设置近似黏弹性边界及无限元单元的模型能以相对小的计算成本达到与等效土柱模型确定的大尺寸自由边界模型相近的计算效果。确定土体自由边界尺寸的等效土柱模型方法为SSDI问题中土体自由边界的选取与设置提供了有效借鉴与参考。     

地下结构抗震设计中的静力弹塑性分析方法

首先介绍目前地下结构抗震分析方法存在的主要问题,在借鉴地上结构静力弹塑性分析方法思想的基础上,提出一种适用于地铁等地下结构抗震分析与设计使用的静力弹塑性方法。详细介绍该方法的实施步骤与特点,给出水平等效惯性加速度的求解方法。该方法概念清晰、操作简单,能够在不需要计算相互作用系数的情况下较好地模拟土-结构之间的动力相互作用;能够进行结构在地震作用下的全过程分析,给出地下结构在输入地震波作用下的峰值变形与内力,避免对土-结构整体模型进行复杂的动力相互作用分析。结合实际工程与基于黏弹性静-动力统一人工边界的静-动力联合分析方法进行对比研究,验证地下结构静力弹塑性分析方法的可靠性及良好的模拟精度,可以应用于地下结构的抗震分析与设计中。     

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。     

考虑桩-土-结构相互作用影响的多层厂房振动分析

通过引入黏弹性人工边界,建立了桩-土-结构相互作用的厂房整体有限元分析模型,对设备作用下的多层厂房振动进行较为全面的分析,并就模型简化及桩-土体系对系统的影响进行对比研究。实例计算表明:桩-土体系的参与降低了系统自振频率,并对结构的动力响应产生了一定的影响,但在水平与竖向两个方向上存在差异。高频设备荷载作用下,桩-土体系的参与对厂房的水平振动影响不大,而会造成结构竖向动力响应放大。桩体在水平振动表现为弯曲变形,变形主要集中在上部,在竖向振动中则表现为整体振动。     

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。     

土-结构动力相互作用分析中基于内部子结构的地震波动输入方法

合理有效的地震波动输入是进行土-结构动力相互作用分析的关键环节,文章基于波动法理论,提出一种新的基于内部子结构的地震波动输入方法。新方法中等效输入地震荷载由计算模型内部截取的子结构的动力分析直接获得,从而使地震波的外源输入问题转化为内源波动问题。与波动法和基于人工边界子结构的地震波动输入方法相比,内部子结构法有效提高等效输入地震荷载求解和地震波动输入的效率;同时在地震波动输入的过程中避免人工边界的参与,从而彻底摆脱以往地震波动输入方法对于人工边界条件的限制,因此该方法更具普适性。文章详细介绍了基于内部子结构的地震波动输入方法在土-结构动力反应分析中的实现方法,并通过地震波斜入射下的自由场算例与土-结构动力相互作用算例,验证新方法的有效性。     

土-结构动力相互作用分析中基于内部子#br# 结构的地震波动输入方法

合理有效的地震波动输入是进行土-结构动力相互作用分析的关键环节,文章基于波动法理论,提出一种新的基于内部子结构的地震波动输入方法。新方法中等效输入地震荷载由计算模型内部截取的子结构的动力分析直接获得,从而使地震波的外源输入问题转化为内源波动问题。与波动法和基于人工边界子结构的地震波动输入方法相比,内部子结构法有效提高等效输入地震荷载求解和地震波动输入的效率;同时在地震波动输入的过程中避免人工边界的参与,从而彻底摆脱以往地震波动输入方法对于人工边界条件的限制,因此该方法更具普适性。文章详细介绍了基于内部子结构的地震波动输入方法在土-结构动力反应分析中的实现方法,并通过地震波斜入射下的自由场算例与土-结构动力相互作用算例,验证新方法的有效性。     

超深厚覆盖层上土石坝动力分析边界处理方法研究

采用深厚覆盖层上土石坝动力分析黏弹性边界处理方法和传统固定边界处理方法,进行某超深厚覆盖层上土石坝动力反应分析,研究了边界处理方式和地基截断范围对大坝-地基系统动力反应分析计算结果的影响规律,探讨了超深厚覆盖层上土石坝结构-地基系统动力分析边界处理方法。研究表明：不同的边界处理方式,大坝-地基系统内部加速度反应的分布规律基本一致,黏弹性边界条件下的坝体地震动力反应水平低于固定边界|随着覆盖层地基侧向边界范围的扩大,不同边界条件下坝体的加速度反应水平都在降低,固定边界条件下的计算结果和黏弹性边界逐步趋近|对本文研究的超深厚覆盖层上土石坝结构-地基系统,动力分析中将底部边界取到基岩表面、侧向边界取到坝踵和坝脚向上下游延伸3～5倍大坝加地基高度范围,并采用固定边界的边界处理方式,可以达到工程设计对计算精度的要求。     

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。     

考虑相互作用影响的堆石料动力参数反演

通过黏弹性人工边界及相关的等效结点力法实现了半无限域的地震动输入,采用多种群遗传算法和径向基神经网络构建参数反演平台,建立了考虑坝基相互作用及辐射阻尼影响的土石坝动力参数反演分析模型。多种群遗传算法优化得到坝体堆石料动力参数,可有效避免传统遗传算法的早熟问题;经过训练的径向基神经网络描述模型参数和加速度反应谱值之间的映射关系,节省参数反演的计算时间。对鲤鱼潭大坝动力参数的反演结果表明,测点加速度与实测值吻合较好。考虑相互作用的反演得到堆石料最大动剪模量系数C值最大,刚性地基模型反演结果居中,室内动三轴试验值最小,工程应用时室内试验值应予以修正。     

某桩基承台质量对上部化工塔稳定性影响分析

为研究地震作用下桩基承台的结构形式及其质量大小对上部高耸结构的影响,以土—结构动力相互作用的相关理论为基础,通过采用黏弹性人工边界模拟土体边界,建立了桩—土—承台—上部结构动力相互作用二维模型。以某在建中的高耸化工塔为例,对相互作用体系在地震荷载作用下的动力反应进行数值分析与研究。结果显示,在将承台由大质量块实心体改为质量更小的结构体时,体系的地震反应并不比原结构大,甚至还略有减小。另外,如果在原承台基础上使承台材料的密度在一定范围内变化,那么随着密度的增大,体系的地震反应也随之有所增大,这表明桩基承台的大质量并未使上部化工塔结构更稳定。     

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。     

基于三维黏弹性动力人工边界仿真模拟的结构楼层反应谱分析

针对某特定工程,依据不同的土层参数,通过设置边界弹簧和阻尼模拟地基土作用,构造三维黏弹性动力人工边界有限元模型,进行随机地震反应数值仿真;依据合成的基准地面SL-2、SL-1的基岩设计地震动时程,进行工程成层地基模型的自由场地震反应时程分析,建立了各楼层的考虑土-结构相互作用的地震反应及各层水平和竖向加速度反应谱的计算。     

地震荷载作用下海底管线的动力反应分析

 地震荷载作用下海床中的孔隙水压力与有效应力是影响海底管线稳定性的主要因素。然而在目前的海床动力响应分析中一般将管线假定为刚性,并不能合理地考虑海床与管线的相互作用效应,同时也没有考虑地震荷载作用下海床边界的等效处理。为此,基于Biot动力固结理论建立海床–管线相互作用的计算模型,以大型有限元软件ADINA为平台对El Centro地震波作用下的海底管线的动力响应以及管线周围土体的孔隙水压力变化规律进行分析,讨论不同的管线半径、管线壁厚和土性参数对计算结果的影响。在数值计算过程中引入黏弹性人工边界,有效地模拟散射波由有限域到无限域的传播,较为实际地反映在地震波作用下海底管线的动力响应问题。