坝-基动力相互作用的高阶时域模型

采用有限元法模拟近场有限域,并采用基于比例边界有限元法的高阶透射边界模拟远场无限域,建立了一种坝-基动力相互作用的时域模型。模型的高阶透射边界由采用改进的连分式法求解无限域动力刚度矩阵建立,在时域里表示为一阶常微分方程组。它能精确满足无限远处的辐射阻尼,具有全局精确、时间局部和收敛速度快等优点。对近场有限域和远场无限域在交界面上的相互作用力向量进行耦合,通过联立有限域和无限域的运动方程,建立了坝-基耦合系统的标准动力学方程,该方程可采用直接积分法进行求解。该耦合系统的稳定性取决于其系数矩阵的广义特征值问题;如果出现不稳定情况,采用移谱法以消除虚假模态。通过算例验算,结果表明该算法在时域里具有良好的计算精度和效率。     

基于比例边界有限元法的结构-地基动力相互作用时域算法的改进

本文基于比例边界有限元法(Scaled Boundary Finite Element Method)的缩减基函数解法,对结构无限地基动力相互作用的时域算法进行了改进。通过选择适当的基函数数目,缩减结构-地基接触面上的自由度,以减小卷积积分所带来的计算工作量,推导了缩减自由度后运动方程的表达式。通过重力坝和拱坝加速度频响曲线的算例,对比了不同程度缩减的基函数和全部基函数对计算精度和效率的影响。结果表明,基函数的缩减可使计算效率明显提高,但精度损失不大。当采用60％的基函数时,计算效率提高5倍,而峰值频响曲线的精度损失却不超过4％。因此,该算法比较适合于大型结构地基动力相互作用问题的时域分析。     

海绵吸收层法在坝-库水瞬态动力相互作用分析中的应用

将海绵层与Sommerfeld人工边界结合起来模拟无穷水库的辐射阻尼效应，并结合有限元法在时域内分析坝—库水动力相互作用。计算了刚性坝面瞬态动水压力及柔性坝—库水动力相互作用的分析，结果说明这种方法在时域内模拟无穷水库动水压力波向上游的辐射阻尼效应是适合的。但需注意海绵层的体积阻力系数不能取得太大。     

动水压力波高阶双渐近时域平面透射边界Ⅱ：计算性能

为了阐明动水压力波高阶双渐近平面透射边界在时域内的计算性能,本文从时域求解、稳定性、收敛性、计算精度和计算效率等方面对其进行了研究和验证。为了提高计算效率,通过空间模态解耦将原时域高阶透射边界的求解转化为一系列单模态透射边界的求解。常微分方程系数矩阵的广义特征值分析表明,本文发展的高阶双渐近边界是渐近稳定的。高阶双渐近边界的等价频域动力刚度表达的误差范数分析显示,连分式逼近的计算误差会随着阶数的增加迅速下降,计算结果快速收敛于准确解。刚性坝算例表明,在计算精度相当的情况下,高阶双渐近透射边界与远置Sommerfeld边界方法相比在计算效率上有数量级的提高,并且还具备长期计算误差发展稳定的特点。上述研究和验证算例揭示了本文发展的高阶双渐近时域平面透射边界所具备的优良计算性能,可以考虑将其进一步应用到大坝-水库动力相互作用分析中。     

动水压力波高阶双渐近时域平面透射边界I:理论推导

为了准确模拟地震引起的动水压力波在半无限水库中传播引起的辐射阻尼,基于比例边界有限单元法构造了高阶双渐近时域平面透射边界。首先将描述半无限水库的连续波动方程转化为半离散的比例边界有限单元方程,然后通过特征模态变换将以动力刚度矩阵形式表达的控制方程解耦,获得模态动力刚度的连分式解答,再引入辅助变量将透射边界在频域的动力刚度表达等效为一个高阶矩阵方程,对其施加傅立叶逆变换后即得到时域透射边界条件。频域模态动力刚度的计算结果表明：该双渐近透射边界可以在全频范围内迅速逼近准确解,具有良好的收敛性能。     

动水压力波高阶双渐近时域平面透射边界Ⅱ:计算性能

为了准确模拟动水压力波在半无限水库中传播引起的辐射阻尼，本文基于比例边界有限单元法构造了高阶双渐近时域平面透射边界。首先将描述半无限水库的连续波动方程转化为半离散的比例边界有限单元方程描述，然后通过特征模态变换将以动力刚度矩阵形式表达的控制方程解耦，获得了模态动力刚度的连分式解答，再通过引入辅助变量将透射边界在频域的动力刚度表达等效为一个高阶矩阵方程，对其施加傅立叶逆变换后即得到时域透射边界条件。频域模态动力刚度的计算结果表明：该双渐近透射边界可以在全频范围内迅速的逼近准确解，表现出优良的收敛性能。     

高拱坝坝后背管结构静动力分析

对于拱坝和背管这一复杂的大型结构体系，目前最有效实用的计算方法为有限单元法，而拱冠梁法等对处理带有压力管道的整体结构难度较大。采用大型通用结构分析软件ANSYS及其子模型技术，对有无背管拱坝结构的静动力特性进行分析研究，探讨了高双曲拱坝坝后高背管的技术可行性、存在的问题及解决办法，并提出优化意见。     

考虑混凝土坝位移动力突变盲点的安全监控模型

针对坝体位移时间序列中出现数据跳跃的现象,基于动力学互关因子指数法与云模型理论,提出了一种能准确辨识大坝位移时间序列中动力突变盲点位置的诊断方法,并构建了考虑动力突变盲点的混凝土坝位移安全监控模型。基于不确定性动力系统对大坝位移的演化分析,综合运用相空间重构、云模型及小波分析等数值处理方法,从所辨识数值序列中的动力突变盲点出发,研究了对大坝工作性态转异进行预测诊断的方法。工程实例表明,该方法能找准对应位移的动力突变盲点,可避免动力突变盲点对大坝位移序列的不利影响,提高了大坝位移安全监控模型的可靠性和科学性。     

高土石坝-地基动力相互作用的影响研究

我国土石坝建设高度已迈入300 m级,其体积和质量巨大,坝-基交界覆盖区域(建基面)沿顺河向长可超千米,且筑坝材料具有非线性特性,地震时的坝-基动力相互作用问题越发受到工程界的关注,亟待开展系统研究。本文以我国已建和拟建的若干代表性高土石坝工程为背景,采用波动分析方法考虑坝-基动力相互作用,系统地讨论了地基截取范围的影响,并通过与传统振动分析方法对比,研究了坝-基动力相互作用对大坝地震反应的影响。结果表明:高土石坝的地震反应计算采用波动分析方法更符合实际;在考虑坝-基动力相互作用时,建议地基截取范围取坝-基交界面顺河向长度的0.3～0.5倍(面板坝时约1.0H～1.5H,心墙坝时约1.2H～1.8H,H表示坝高);与振动分析方法相比,波动分析方法获得的坝体加速度极值降幅约为10%～40%,动位移极值降幅约为10%～50%,面板动应力极值降幅:拉应力约为20%～40%,压应力约为15%～30%。可见,坝-基动力相互作用的影响是显著的,振动分析方法不能反映地震对大坝作用的实际情况,高估了大坝的地震反应,从而低估大坝的极限抗震能力。     

基于量纲转换的SBFEM基础动刚度连分式求解改进

在求解无限域地基动刚度的比例边界有限元法中(SBFEM),以刚度矩阵与柔度矩阵构成的混合变量为基本模式的连分式方法,是近年来较为流行的方法。然而在真实场地参数条件下,连分式中的各阶刚度、柔度系数矩阵元素值间的数量级存在较大差别,使得无限域动刚度的计算结果存在数值不稳定等问题。针对以上问题,首先引入算例验证了采用改进连分式法计算结果的合理性;然后基于改进连分式法分析了参数无量纲程度对计算精度的影响,从而提出了基于量纲转换的SBFEM基础动刚度数值求解模型,即将场地真实参数转换为无量纲形式,基于转换后的参数计算动力刚度矩阵,随后将计算结果还原量纲。最后,通过参数敏感性分析以及对不同风化程度场地条件下无限域动刚度的比较,验证了采用上述方法计算结果的精度和工程适用性。     

基于Opensees的桩土动力p-y曲线模型研究

桩土动力p-y曲线法在岩土工程中已得到广泛应用。通过Opensees软件中内嵌的Pysimple1材料模型,利用p-y单元建立了土-单桩-承台相互作用简化模型。分析在砂土和黏土p-y单元中的桩身和桩头承台动力响应特点,同时对不同自由场土体长度下桩身和桩头承台动力响应进行了分析。结果表明,砂土p-y单元的桩头承台加速度峰值大于黏土单元,位移峰值小于黏土单元,桩身的剪力、弯矩都比黏土要大。自由场土体长度越短,承台的位移和加速度就越大,当自由场土体长度达到300 m时基本满足计算精度要求。     

离散元—边界元动力耦合模型在地下结构动力分析中的应用

利用离散元－边界元耦合模型对溪洛渡工程地下厂洞室群静，动力响应进行了分析，对离散元模拟地下结构的一些问题进行了探讨，得到了一些结论：离散元模型能够很模拟地下洞室群的变形，通过与边界的耦合，可以模拟辐射阻尼的影响，由于辐射阻尼的影响，地下洞室群的地震响应比地面结构小很多。     

动载作用下土工格栅加筋土计算模型的研究

本文在前人工作的基础上提出了在动力荷载作用下土工格栅与土相互作用的有限元分析模型，该模型采用非线性弹簧-阻尼延迟器-质量块系统模拟土工格栅纵肋、横肋与土动力相互作用，采用集中刚度法形成总刚，可用来研究加筋土在动载作用下的变形特性。非线性弹簧的刚度、阻尼延迟器的阻尼比可以通过振动台试验获得。基于该模型编制了加筋土的动力有限元分析程序，有限元分析结果与实测值一致，表明了计算模型和分析程序的正确性。     

用水体位移有限元分析拱坝与水库的相互作用

从水体基本方程出发，建立坝体与库水动力耦合的有限元法分析模型。全面分析二滩双曲拱坝与库水系统的相互作用，并与其它方法进行比较。     

离散元-边界元动力耦合模型

本文提出了一种二维变形体离散元与时域边界元的耦合模型，这一模型可以将非连续体的模拟与无限域的模拟统一在一个模型中，可用于在地震波动输入条件下，考虑辐射阻尼的岩体边坡或地下结构等的动力稳定和变形分析，拓宽了离散元动力分析的领域。算例分析表明本耦合分析模型具有较高的精度。