等效动力无限元及其在无限土体模拟中的应用

为解决动力分析课题中无限土体的模拟问题,依据波的透射与反射理论,考虑介质的弹性恢复作用以及在人工边界处波传播的一致性,利用无限单元并引入阻尼矩阵,构建新型的等效动力无限单元模拟动力分析问题中的无限土体。以4节点单元为例,推导等效动力无限单元的刚度矩阵和阻尼矩阵。依托ANSYS平台,利用二次开发工具UPFs和数据接口将等效动力无限元连接到标准ANSYS程序,建立计算模型,分析典型的一维波动问题和Lamb问题,验证并应用等效动力无限元。结果表明,等效动力无限元模拟动力分析中的无限土体是有效的。     

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。     

竖直荷载下群桩受力变形特性弹塑性分析

群桩作为桩基的一种主要形式 ,其受力变形特性的研究一直受到人们的重视。过去的研究主要是通过实验方法和理论分析来进行的。本文用有限元进行近域土和桩的分析 ,对远域土采用无限单元 ,在桩土接触面引入 Goodman接触面单元 ,从而用有限元——接触面单元——无限元的耦合方法将群桩和土体作为一个整体进行弹塑性分析。分析中用修正剑桥模型进行近域土体的模拟 ,对桩土接触面及远域土体进行非线性分析。分析结果表明 ,本文的分析与实测基本吻合 ,说明本文的耦合方法能对群桩的受力变形特性进行较好的模拟     

群桩工作机理的数值分析

对桩和近域土体采用有限元分析,桩土之间加设接触面单元来模拟桩土之间的相对沉降,对远域土体采用无限单元来模拟。混凝土单元和无限单元采用弹性分析,近域土体采用K~G模型及Duncan-zhang(E~μ)模型来模拟九桩低承台群桩的工作机理,并与实测值相比较、分析,证明方法是合理的。     

地下水位变化对桩-土—结构地震动力相互作用影响的有限元—无限元耦合分析

地下水位的抬高会显著降低土体内的有效应力、破坏其结构性，导致土体的力学性能降低；也意味着在地震时产生超孔隙水压力土体的范围会增加；同时水的润滑作用还会进一步削弱桩土界面的粘结作用。这些变化会显著改变桩土结构体系的动力反应特性。通过ABAQUS有限元程序建立了桩-土-结构体系的有限元-无限元耦合模型，研究了黄土地区地下水位变化对桩基体系动力特性的影响。     

竖直荷载下群桩受力变形特性弹塑性分析

群桩作为桩基的一种主要形式,其受力变形特性的研究一直受到人们的重视。过去的研究主要是通过实验方法和理论分析来进行的,本文用有限元进行近域土和桩的分析,对远域土采用无限单位,在桩土接触面引入Goodman接触面单元,从而用有限元-接触面单元-无限元的耦合方法将群桩和土体作为一个整体进行弹塑性分析,分析中用修正检桥模型进行近域土体的模拟,对桩土接触面及远域土体进行非线性分析。分析结果表明,本文的分析与实测基本吻合,说明本文的耦合方法能对群桩的受力变形特性进行较好的模拟。     

地震作用下结构刚度对桩基内力的影响

用整体有限元方法进行桩-土-结构动力相互作用体系的地震反应分析。在土体侧向的边界节点处用弹簧并联阻尼器来进行模拟;在土体平面应变单元和桩体梁单元连接处,用补充约束方程的方法进行节点耦合,使2种不同类型单元满足连续条件。结合典型工程实例选择桩、土、结构及荷载参数,重点讨论了地震作用下3种不同的上部结构刚度对桩基内力的影响,求出了3种上部结构刚度下体系1~6阶的自振周期和桩基的最大位移及内力等,并进行了分析和比较,得到了在水平地震荷载作用下上部结构刚度的增大将增大桩基的内力及水平位移,且桩顶及桩身处于第一个软硬土层交界面处的截面的内力尤为突出等结论。     

有夹层的双层刚性道面的有限元分析方法

本文根据夹层与道面板的界面为光滑接触的假定,推导了夹层元的“单元刚度矩阵”,建立求解有夹层的双层刚性道面板的结构刚度方程,从而给出了这种道面的完整的有限元分析方法。文中提供了一些计算结果,讨论了这种方法的收敛性、夹层参数对上下板内力的影响,以及若干理论和实际问题。     

对反应位移法中几个关键问题的探讨

反应位移法是地下结构抗震分析最常用方法之一。本文拟通过具体算例分析,探讨了目前反应位移法在实际应用中的几个简化假设,具体包括土弹簧刚度的不同确定方法、分层土体与等效单层土体的位移模式、线性与非线性时土体位移模式等。计算分析表明:(1)不同方法确定的土弹簧刚度值相差巨大,由此导致结构地震响应差别显著;(2)分层与单层土以及线形土体与非线性土体的土体位移模式相差明显,即周围土体对地下结构的地震作用差别明显,因而地下结构地震响应差异明显。由此可见在实际应用反应位移法时,应严格按照实际分层土体,得到土体的非线性地震响应,而应避免采用一些简化等效处理方法。本文研究成果可为进一步完善反应位移提供参考。     

桩筏基础相互作用非线性简化分析

提出一种桩筏基础相互作用的简化分析方法。对筏板和土体的接触面进行单元离散,在单桩弹塑性分析的基础上,分析了桩–桩、桩–土、土–土的相互作用关系。推导了桩土体系的刚度矩阵,得到刚性筏板群桩基础的竖向荷载沉降关系,桩的轴力沿深度的分布和桩、筏板各自分担的荷载。无需对桩和土体沿深度方向进行单元离散,简化了计算过程。由于考虑了土体的非均匀性和桩土相互作用的非线性特性,计算模型更好地反映了土体的实际性状。与有限元、边界元计算值以及实际工程实测值进行对比分析,验证了本文方法的正确性,并可应用于实际工程问题的分析。     

基于能量变分剪切效应空间梁单元刚度矩阵及荷载列阵推导

为了系统研究空间梁单元考虑剪切变形影响时的刚度矩阵及荷载列阵,将能量变分原理应用于空间梁的单元分析。建立了考虑剪切效应的空间梁单元位移函数,利用最小势能原理导出了这种空间梁单元的刚度矩阵和荷载列阵的表达式,显式积分得到单元刚度矩阵,同时计算了平面内部分非节点荷载作用下的等效节点荷载,修正了相关文献中的部分错误。计算结果表明:该方法所得到的单元刚度矩阵与相关文献中其他方法的计算结果完全一致,为编制空间巨型结构的有限元程序奠定基础,对推算其他类型单元刚度矩阵及其荷载列阵也具有理论意义和应用价值。     

基于薄环层元法的层状地基中摩擦桩竖向受荷计算

基于薄环层元法和虚土桩假设,提出了层状地基中竖向受荷摩擦桩计算模型。将桩身正下方至基岩间的土层视为虚土桩,并将桩土体系划分为多个薄层单元;随后利用虚位移原理求得薄环单元和桩单元的单元矩阵方程,并根据单元间平衡关系建立整体矩阵方程;最后通过桩与桩周土的协调关系,计算出层状地基中桩土体系位移。计算结果与已有方法结果吻合良好,验证了本文的正确性与可靠性。参数分析表明,计算单元厚度越小,精度越高;三层地基中的摩擦桩,中间夹层模量越大,其分担的荷载越多。桩端下卧土层厚度越小,桩端刚度越大。当桩端土厚度小于0.3倍地基厚度时,桩端刚度显著增大。当桩端以下土体分层时,桩端刚度与持力层厚度和强度密切相关。     

弹性地基上带肋筏板肋梁内力计算

针对带肋筏板肋梁内力传统计算方法的局限性,采用无单元法建立筏板的刚度矩阵,同时采用有限元法计算肋梁的刚度矩阵,根据虚功原理,建立了双参数弹性地基上带肋筏板的无单元和有限元耦合计算方法,并通过实例计算验证了该法的可行性。     

密肋复合墙体弹塑性宏模型研究

提出了以剪切变形为主的密肋复合墙体的弹塑性宏模型。宏模型由三根竖杆单元组成,分别模拟密肋复合墙体的墙板和边柱。宏模型以有限元为基础,但自由度比有限元模型少得多。在使用SAP 2000中的Link单元建立宏模型时,推导了Link单元的刚度矩阵,给出了相对转动中心高度的确定方法,并结合钢筋混凝土柱轴向恢复力模型和密肋复合墙体水平剪切恢复力模型,给出了Link单元塑性铰力-位移关系的计算公式。通过压、弯、剪复合作用下的密肋复合墙体的试验结果与计算结果比较表明,该计算模型原理清晰,具有较好的计算精度,适合于密肋壁板结构体系的非线性时程反应分析。     

基于空间等效桁架单元方法的钢筋混凝土结构非线性分析

针对传统有限元分析的复杂性以及裂缝描述不准确等缺点,从空间应力单元出发,结合平面等效桁架单元的研究方法,提出了一种空间等效桁架单元;基于空间等效桁架单元和空间应力单元刚度等效的原则,推导了等效后的单元刚度矩阵、杆件截面面积和杆件轴力计算公式,探讨了空间等效桁架单元应用于钢筋混凝土结构非线性分析的相关问题;借助ANSYS10.0采用该方法对一桥墩结构进行计算分析,并与采用平面等效桁架单元方法和试验方法所得结果进行了对比。结果表明:采用该方法对钢筋混凝土结构进行分析能够满足工程精度要求,并且能够准确描述裂缝的开展。     

钢结构屋顶承板的稳定性分析

采用有限元方法对钢结构屋顶承板进行承载力的稳定性分析。计算屋顶承板结构模型的总体刚度矩阵时考虑结构的几何效应,以载荷增量法逐渐对结构增加载荷,求出载荷与结构变形的关系,并由总体刚度矩阵来判定是否为奇异矩阵,进而计算出弹性屈曲载荷。将有限元计算结果与试验结果进行比较,通过分析发现有限元分析所得屈曲载荷值与在试验中获得的屈曲载荷值很相似,误差在9%以内。     

三角形与梁组合单元的土钉支护基坑变形分析

为了减少基坑事故的发生,真实反映土钉墙的工作情况,选取三角形与梁的组合单元模拟土体与土钉的共同工作,建立了该组合单元的整体联合刚度矩阵,结合工程实例,对土钉支护基坑的变形进行研究。结果表明该组合单元可以近似模拟土体与土钉的共同工作,建立的联合刚度矩阵可以用于对杆系和弹性连续体进行整体分析。研究得到坑壁水平位移与基底隆起的变形规律及相应的最大值和出现位置,可为设计和施工提供参考,减少事故发生风险。计算结果亦表明土钉支护对于控制水平位移有很好的效果,在本工程中可以起到很好的支护作用。     

横观各向同性层状地基平面应变问题的解析层元解

从横观各向同性平面应变弹性体的基本控制方程出发,通过Fourier积分变换和Cayley-Hamilton定理推导出单层横观各向同性地基的传递矩阵,然后再通过矩阵变换求得单层地基的精确刚度矩阵,即解析层元解;根据有限层法原理组合得到总刚度矩阵,通过求解总刚度矩阵得到横观各向同性层状地基平面应变问题在积分变换域内的解答,应用Fourier逆变换得到物理域内的精确解。编制相应的计算程序,计算结果与有限元软件模拟结果吻合。算例分析表明土的分层特性和横观各向同性性质对土体变形有明显影响。     

邻近建筑物受基坑开挖影响有限元分析

基坑开挖对邻近建筑物的影响是个重要的课题,本文结合一个工程算例,利用平面有限元分析了深基坑开挖对邻近浅基础建筑物的影响,考虑了土体、围护结构与建筑物的相互作用,其中包括支撑刚度、建筑物自身刚度、建筑物与基坑距离等因素的影响,并把这些因素进行了综合比较。     

无限元在地下隧道抗震分析中的应用研究

在对地下隧道进行动力有限元分析时,作者采用无限元模拟土体位移逐渐衰减的规律和边界条件。通过对某矩形双洞口隧道的抗震分析,为地下隧道的抗震设计提供了参考。