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。     

SV波斜入射对岩体隧道洞身段地震响应影响研究

基于显式有限元方法并结合黏弹性人工边界条件,推导了SV波斜入射时人工边界面上等效节点力的计算公式,并基于通用有限元软件实现了SV波的倾斜输入。采用简单算例验证了SV波斜入射输入方法的准确性。分别考虑了SV波在隧道横断面和纵断面内斜入射工况,研究了SV波斜入射条件下岩体隧道洞身段地震响应规律。计算结果表明：SV波斜入射时的隧道地震响应规律与垂直入射时具有较大的差异;SV波在不同断面内斜入射时隧道的地震响应结果也具有较大差别。     

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。     

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。     

地下工程抗震分析中地震动输入方法研究

 提出一种新的基于无限元人工边界的合理的地震动输入方法,该方法考虑到地层的辐射阻尼和地震波在地层中的反射和散射,采用波场分解的方法给出地震波从底面垂直入射时不同边界面上的等效地震荷载的计算公式。同时进行算例考证,结果表明,采用固定边界计算结果会出现失真的扰动,而采用该方法其结果与解析解吻合得比较好。最后将该方法用于西藏嘎龙拉隧道三维地震动力分析中,得到一些有意义的结论。     

斜入射作用下地震场地动力反应分析

应用一维化算法和人工边界节点的集中质量运动方程,将地震波动问题转化为波源问题。采用MATLAB语言,编制了将斜入射地震动场转化为施加于人工边界节点上的等效荷载,实现了波动的有效输入。利用编制的程序分析地震波斜入射时软土对地面运动峰值的影响,利用有限元程序ANSYS和根据波动输入程序,分析了地震波斜入射时河谷地形对地面运动峰值的影响。结果表明:软土层的存在会增强对地面运动峰值的放大作用。河谷地形对地震动具有放大效应,随着入射角度的增大,对应河谷地形的放大系数有所变化。     

地震波斜入射地下隧道地震响应：2.5维FE-BE耦合模拟

针对地震波斜入射导致的非一致地震激励结构地震响应问题,提出了地下隧道三维地震响应分析的一个2.5维有限元–边界元（FE-BE）耦合分析方法,该耦合方法具有分析效率高和计算精度高的优势。利用有限元模拟隧道结构,并引入弹簧单元考虑衬砌管片接头的影响;半无限土域利用基于场地三维动力刚度矩阵和移动斜线荷载格林函数的边界元方法模拟。通过与文献结果比较验证了耦合方法的正确性。利用该2.5维FE-BE方法,以某盾构隧道为例,研究了斜入射地震波作用下隧道结构的三维地震响应,着重分析了管片接头对隧道衬砌地震变形和内力的影响,并讨论了通过对隧道衬砌整体刚度进行折减（等效均质圆环模型）来考虑管片接头影响的方法的适用性。研究表明,管片接头对隧道地震响应有重要影响,随接头刚度减小隧道衬砌变形呈增大趋势,但衬砌内力显著减小;而且,对于管片接头刚度较大的情况,等效均质圆环模型可以在一定程度上反映管片接头对隧道结构地震响应的影响,但可能导致隧道纵向弯矩的低估。     

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。     

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。     

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。     

沉管隧道地震反应分析局部精细化建模中的几个问题

通过大型沉管隧道的实例分析和前期研究成果,重点讨论沉管隧道地震反应分析中建立局部三维精细化模型时所应关注的4个问题:1模型范围大小的问题;2上覆水体动水作用的简化;3时域分析中阻尼矩阵的合理建模及其影响;4地震输入方式的选择与影响等。文中通过工程算例验证局部三维精细化建模的合理方式,研究结果表明:考察某段沉管管节的地震反应时,应至少考虑该管节两端各三段相邻管节的影响和轴向5倍以上土层厚度范围的土层影响;上覆水体可近似采用等效附加质量的方式模拟;当沉管隧道-土层体系的基频低于输入地震波的卓越频率时,易采用基于体系基频的优化方法来确定Rayleigh比例阻尼矩阵的比例系数;沿沉管隧道轴向的多点地震输入对隧道地震反应有较大影响,应加以充分关注。     

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。     

地震波斜入射时二维成层介质自由场求解的等效线性化方法

基于等效线性化频域数值求解方法和二维应变空间状态理论,提出了一种地震波斜入射时二维水平成层介质的非线性地震反应分析方法。首先,建立地震波斜入射下成层弹性介质频域传递矩阵;其次,结合等效线性化方法,给出了地震波斜入射情况下二维等效剪应变求解方法,进而求得任一层的等效刚度和阻尼比,并进行迭代计算,直到满足给定的精度为止;最后根据满足精度要求的等效刚度和阻尼比进行成层介质地震反应分析,求取目标层的地震响应。对某二维水平成层场地地震波斜入射(SH波、SV波和P波)时的非线性地震反应进行了计算,并研究了成层介质场地地震反应随入射角的变化而变化的规律。     

考虑下卧弹性基岩的地下结构抗震分析模型

针对广泛采用的振动方法仅能考虑下卧刚性基岩条件的问题,基于等效节点荷载地震动输入方法和等位移边界,提出了可以考虑下卧弹性基岩恢复力和反射/透射地震波向地层深处逸散效应的地下结构抗震实用分析模型。介绍了等效节点荷载输入原理,通过数值算例验证了等位移边界的适用性。通过均质和成层场地算例,验证了分析模型正确性。以上海场地为例,对比分析振动方法与本文分析模型,地表位移和隧道结构内力响应初期相近,而后期差异显著,体现了下卧刚性基岩和弹性基岩不同场地条件的区别。下卧弹性基岩场地条件地下结构抗震分析,采用本文模型更符合实际情况。     

基于Timoshenko梁理论的车辆荷载下沉管隧道振动预测

考虑车辆荷载影响,将沉管隧道管节等效为置于黏弹性地基上的Timoshenko梁,改进传统柔性接头等效模型,考虑接头阻尼作用,建立沉管隧道管节动力响应计算模型。依据Timoshenko梁理论,推导管节竖向振动微分方程,采用数值方法对管节位移响应进行求解。依托宁波甬江沉管隧道工程,分析车辆荷载下沉管隧道管节中点和端部的竖向位移响应情况,计算接头两端最大竖向位移差,并进行单因素影响分析。研究结果表明:江中段管节竖向位移较岸边段大,管节中点竖向位移较管节端部大,最大竖向位移达到3.7 mm;各接头参数相同的情况下,岸边接头的竖向位移差较中间接头大,最大竖向位移差达到1 mm;地基分布弹簧系数、接头刚度和车速对管节竖向位移幅值影响较大,而在安全车距范围内,车流密度对管节竖向位移幅值影响不大。     

基于Abaqus的三维粘弹性边界与地震动输入的实现

基于粘弹性人工边界理论,编制了用于Abaqus中三维模型的粘弹性边界与地震荷载输入的Python脚本程序,并对程序进行了验证。结果表明:程序能够较为准确地实现地震动输入;对于地震动斜入射情况亦能实现较高的精度。     

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。     

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。     

地震波三维斜入射作用下隧道#br# 对场地地表地震动的影响

利用2.5维有限元-边界元耦合方法,以饱和土场地中圆形隧道为例研究了地下隧道对场地地表地震动加速度的放大效应,主要讨论了地震波入射角的影响。假定地震波在基岩面三维斜入射,用水平入射角θh和竖向入射角θv两个角度来表示地震波的入射方向。研究表明,地震波斜入射时的场地地表地震动加速度放大系数显著大于地震波垂直入射情况,且地震波入射角对场地地表加速度反应谱的幅值、形状以及卓越频率也均有一定程度的影响,尤其对竖向加速度反应谱卓越周期的影响显著。此外,针对本文算例,θh< 30°且θv> 30°时,场地地表地震动竖向加速度与水平加速度的比值大于规范推荐的0.65,且此时竖向加速度反应谱的幅值可能会大于水平加速度反应谱的幅值。     

车辆移动荷载下黏弹性沥青路面的弹性等效方法

沥青路面设计规范中采用的力学模型是静载作用下弹性多层体系，而实际车辆作用为移动荷载，沥青层也表现为黏弹性。如何在路面设计中选取合适的弹性模量，从而近似表征移动荷载作用下黏弹性多层体系的力学行为是核心问题。首先，推导移动荷载作用下弹性/黏弹性多层体系力学响应解析解，获得各层力学响应与模量之间的理论关系。其次，基于理论关系，提出弹性模量的等效原则及流程，并以黏弹性三层体系为例，对比等效前后的力学响应分布和模量，验证弹性等效方法的有效性；最后，基于神经网络算法，以各沥青层黏弹参数、温度及车速为输入、等效弹性模量为输出，建立等效弹性模量预估模型。结果表明：等效弹性模量可在数值上反映黏弹性层的性质；各类力学响应分布在等效前后基本一致，证明此方法可有效地将移动荷载作用下黏弹性多层体系等效到静载作用下弹性多层体系；等效弹性模量预估模型可为沥青路面设计提供准确力学参数。