饱和层状地基条形基础动刚度的精细积分算法

采用基于积分变换、对偶方程和精细积分的算法求解饱和多层地基条形基础的动刚度问题。利用Fourier积分变换得到Biot多孔饱和介质波动方程在频域-波数域内的常微分方程,引入广义对偶变量,对二阶常微分波动方程进行降阶处理;针对地表自由排水和封闭排水边界条件,给出了适于精细积分算法的矩阵表达;对控制方程采用精细积分解答,得到波数域内的格林函数,对结果进行逆Fourier积分变换,得到空间域的力和位移关系;施加边界条件,最终得到刚性条形基础的动刚度的解答。通过与文献已有结果进行对比,验证了精细积分算法的准确性。最后计算两组算例,分别分析了表面薄层的孔隙率、渗透力阻尼系数对条形基础动刚度的影响。     

基于精细传递矩阵法的变厚度圆柱壳自由振动分析

结合精细积分和传递矩阵方法,对变厚度圆柱壳的自由振动进行计算分析。该方法基于圆柱壳的基本微分方程,推导得到关于位移内力向量的一阶齐次偏微分方程,采用精细积分求得场传递矩阵,将其进行组装得到总传递方程,根据边界条件求解总传递方程中系数矩阵的行列式,计算得到变厚度圆柱壳的固有频率。将计算结果与有限元结果进行对比,验证方法的准确性及有效性。同时探究了边界条件、厚度变化形式、厚度变化系数及长径比对自由振动的影响规律。     

粘弹性人工边界的虚位移原理

该文将结构及其近场地基作为动力平衡系统,将在人工边界上的波动分解为自由波和散射波,并将输入地震波动转化为作用于人工边界上的等效荷载以实现波动输入。基于以上假设通过分析结构及其近场地基系统的动力平衡关系和自由场的传播机制,给出了自由场的位移表达式、速度表达式,以及在人工边界上由自由场产生的等效荷载一般表达形式,最后建立了粘弹性人工边界统一的动力学积分弱解形式,同时基于有限元程序自动生成系统(FEPG)开发了粘弹性边界条件元件程序。经过计算验证:该文建立的具有粘弹性人工边界的动力学问题的积分弱解方程粘弹性边界条件元件程序可靠、正确。利用这些元件程序,在前处理中可像加位移或应力边界条件一样简便快捷地施加粘弹性边界条件。     

地震波斜入射下层状TI饱和场地地震反应分析

滨海地区的天然土体在长期的风化和沉积作用下,其水平模量往往会大于其竖向模量,表现出明显的横观各向同性（TI）饱和特性,目前还很少有针对地震波斜入射下TI饱和场地动力响应问题的研究。将HaskellThomson传递矩阵方法拓展到层状TI饱和半空间,求解了直角坐标系下两相介质的Biot动力平衡方程及孔隙流体运动方程,建立了层状TI饱和半空间传递矩阵,并结合地表边界条件求解了地震波斜入射下层状TI饱和场地自由场的时域反应。该文验证了提出方法的正确性,进而以CNTEWGXE波（0.3 g）作为输入地震动,研究了土体TI性质及饱和特性对场地加速度时程及反应谱的影响。结果表明:层状TI饱和场地和各向同性饱和场地地表的动力响应存在一定差异,TI参数的改变使得场地对地震波产生不同的滤波和放大效应;场地的饱和特性对地表的动力响应有重要影响,饱和多孔介质固液耦合作用对地震波具有削弱作用;地震波斜入射时地表加速度时程及反应谱响应小于其垂直入射时的响应,且入射角度对qP1波入射时的场地影响更明显。     

移动简谐载荷作用下层状地基-轨道耦合系统动力响应分析

采用格林函数方法求解层状地基-轨道耦合系统在移动简谐载荷作用下的动力响应问题。通过求解层状地基表面作用移动均布线载荷时的动力格林影响函数,由位移连续条件实现层状地基与轨道的耦合,求得移动简谐载荷作用下频率-波数域内的系统动力响应,最后通过傅里叶逆变换求得时间-空间域内的动力响应;与已有结果的比较验证了方法的正确性,并以均匀半空间地基和基岩上单一土层地基-欧拉梁耦合系统为模型,研究载荷振动频率、移动速度、地基刚度以及土层厚度对动力响应的影响。研究表明移动简谐载荷频率较高时与移动静载荷情况不同,不再具有跨音速时地表位移幅值最大的规律;成层地基-轨道耦合系统在移动简谐载荷作用下的动力响应与均匀地基情况存在显著差异,当载荷频率与层状地基固有频率接近时,地基表面位移幅值较大;另外随着基岩与土层剪切波速比的增大,载荷以超音速经过后地基表面位移振动更加剧烈,振动时间更长,随着土层厚度的增大,位移幅值逐渐向低频区域迁移。     

地震波斜入射条件下重力坝动力响应分析

为建立反映设计地震动的斜入射波场,将地表地震动时程分量分解为斜入射的平面SV波和平面P波,使其共同作用下在地表产生与设计地震动分量相同的响应,而其他方向响应为0,根据固体介质中波的传播理论,推导了斜入射波入射角度之间的关系,以及幅值与设计地震动分量的联系,通过采用平面波和远场散射波混合透射的应力人工边界条件,得到了反映设计地震动的地震波斜入射条件下的解析方式,以此为基础建立了时域计算分析模型。将该方法应用于某重力坝―地基动力相互作用分析,在不同地基刚度下与垂直入射的情况进行了比较,计算结果表明：地震波斜入射时对重力坝结构有明显的影响,尤其是坝－基交界面上,结构的动力响应要大于地震波垂直入射时结构的动力响应。该方法在均匀地基假设下构造了反映地表设计地震动特征的斜入射波系,斜入射波系在地表的响应具有非一致特征,同时该方法考虑了地基的辐射阻尼,可用于重大工程在地震动非一致输入下的动力响应分析。     

横观各向同性饱和层状地基的三维稳态动力响应

首先引入状态向量,将直角坐标系下横观各向同性饱和土的Biot波动方程转化为一组状态方程,然后基于双重Fourier变换,求解了状态方程并得到传递矩阵。进而利用传递矩阵,并结合饱和地基的边界条件、排水条件及层间接触和连续条件,求解了横观各向同性饱和层状地基的稳态动力响应问题。数值算例表明采用各向同性饱和介质的动力学模型,不能准确描述具有明显各向异性特性的饱和土地基的动力特性。     

层状饱和半空间中沉积谷地对斜入射平面P1波的三维散射

在作者给出层状饱和场地三维精确动力刚度矩阵和层状饱和半空间中移动荷载动力格林函数基础上,采用间接边界元方法在频域内求解了层状流体饱和场地中沉积谷地对斜入射平面P1波的三维散射问题。该方法的特点在于虚拟移动均布荷载和斜线孔隙水压可以直接施加在沉积与层状饱和半空间交界面而不存在奇异性。该文通过与已有结果的比较验证了方法的正确性,并以均匀饱和半空间和弹性基岩上单一饱和土层中沉积谷地为例进行了数值计算分析。研究表明,沉积谷地对平面P1波的三维散射与二维散射之间存在本质差别,入射角度、孔隙率、饱和土层刚度和饱和土层厚度等参数对沉积谷地附近动力响应有着显著影响。     

桩—土体系运动相互作用参数分析

本文采用连续介质力学方法对桩－土运动相互作用进行了研究，主要研究运动相互作用对基础输入运动的影响，首先建立连续介质力学模型，从波动理论出发，求解满足边界条件的波动方程，获得桩周土的位移和应力表达式，进而求得桩周土反力与桩的动位移间的相互关系，并对桩的阻抗系数与桩身刚度对桩头加速度响应的影响进行了研究。结果表明，运动相互作用引起的基础输入运动小于自由场的控制运动。     

粘弹性层状半空间上刚体的垂直振动

本文较深入地研究了层状粘弹性半空间上刚性圆形基础的垂直振动问题。首先作者采用独创的方法求解弹性动力学基本方程，并借助于Ｔｈｏｍｓｏｎ Ｈａｓｋｅｌ的传递矩阵方法得出层状地基表面位移的Ｈａｎｋｅｌ变换式。然后按弹性力学混合边值问题建立层状粘弹性地基上刚体垂直振动的对偶积分方程，并化为第二类Ｆｒｅｄｈｏｌｍ积分方程。文末给出了数值算例。     

半圆柱型沉积盆地对SH波散射的数值分析

该文实现了一种半无限域SH波散射问题的数值分析方法。采用传递矩阵法得到SH波斜入射时的自由场,将其作为输入;采用集中质量显式有限元方法计算区域内节点的位移;采用透射人工边界计算人工边界点的位移;通过编写的FORTRAN程序实现计算过程。运用该方法对均匀半空间内半圆柱型沉积盆地在SH波入射下的散射进行了分析,与Trifunac M D的解析解进行了对比,验证了该文方法的有效性,分析了不同入射角对地表位移和位移谱放大系数的影响。最后,对成层半空间内半圆柱型沉积盆地在SH波入射下的散射进行了分析。相对于解析方法而言,该方法可以考虑更为复杂地形情况。     

Transient scattering of elastic waves by three dimensional non-axisymmetric dipping layers

Scattering of elastic plane waves by three dimensional non-axisymmetric multiple dipping layers embedded in an elastic half-space is investigated by using a boundary method. The dipping layer is subjected to incident Rayleigh waves and oblique incident SH, SV and P waves. For the steady state problem, spherical wave functions are used to express the unkown scattered field. These functions satisfy the equation of motion and radiation conditions at infinity but they do not satisfy the stress free boundary conditions on the surface of the half-space. The boundary and continuity conditions are imposed locally in the least-square sense at points on the layer interfaces and on the surface of the half-space. The transient response is constructed from the steady state solution by using Fourier synthesis. Numerical results are presented for both steady state and transient problems. Steady state problems include solutions for two non-axisymmetric dipping layers in the form of a prolate. Transient responses are presented for one and two dipping layer models subjected to incident wave signals in the shape of a Ricker wavelet. It is shown that change in azimuthal orientation of the incident wave may significantly change the surface response of the dipping layer. For the transient problem, response comparison of one and two dipping layers indicates that the addition of an extra layer may also completely change the response characteristics of the alluvium. In particular, the delay in arrival of much larger amplitude surface waves by two dipping layers in comparison with other geometrically compatible models demonstrates the importance of the detailed three dimensional modelling of layered irregularities.     

基于TI介质模型的凸起地形对平面SH波的放大作用

在模拟地震波在介质中传播过程的研究中,正演模拟是一个重要的方面。该文采用间接边界元法（IBEM）对横观各向同性（TI）不同参数介质的凸起场地中入射SH波的散射问题进行了正演模拟,研究了TI凸起场地对SH波的放大效应。放大效应是通过地表位移与基岩露头位移幅值的比值来体现的。该间接边界元法结合了层状TI半空间精确动力刚度矩阵和均布斜线荷载动力格林函数,具有较高的精度。该文分别给出了TI介质凸起中SH波散射问题在频域和时域内的解答。频域内研究分析表明,土体TI介质参数的变化会对场地位移幅值的放大谱和空间分布产生显著的影响,即改变了凸起部分和土层的动力特性,使得两者动力相互作用发生改变。时域内研究表明,SH波在凸起周围的传播同时依赖于TI介质参数的具体取值和传播方向。时域位移幅值云图清晰地展示入射波、透射波、反射波和散射波的传播过程,凸起角点产生的散射波在TI介质中传播呈现"半椭圆"型,而在各向同性介质中呈现"半圆"型。     

非均匀弹簧界面模型下柱形夹杂物对弹性波的散射

利用波函数展开法研究了非均匀弹簧界面模型(弹簧系数沿周向非均匀分布)下单个柱形夹杂物对弹性波的散射问题。在弹簧界面模型中,当弹簧系数沿周向分布均匀时,可利用波函数的正交性简化边界条件;当弹簧系数沿周向分布不均匀时,不能利用波函数的正交性简化边界条件。该文研究了这一问题,通过沿周向的离散化将弹性波散射的边界条件归结为一个超定线性代数方程组。针对Ge-Al纤维增强复合材料数值计算了散射截面和远场散射幅。特别地,通过适当选取弹簧常数的周向分布处理了含裂纹界面的弹性波散射问题,数值计算了裂纹张开位移和错开位移。     

层状饱和场地中线性分布斜线荷载的动力Green函数

基于一种实用的Bo it模型,利用层状饱和土层的精确动力刚度矩阵,给出了层状饱和场地中线性分布荷载作用于与水平向有夹角的倾斜直线时的动力G reen函数,解决了利用间接边界元法分析局部地形对地震波散射及土-结构动力相互作用等研究中的关键问题。本文解答可以退化为W o lf弹性情况结果,最后进行了算例分析。     

Effect of surface/interface on the dynamic stress of two interacting cylindrical nano-inhomogeneities under compressional waves

Based on the surface/interface elasticity theory, the effect of surface/interface on the dynamic stress of two interacting cylindrical nano-inhomogeneities under compressional waves is considered. The analytical solutions of displacement potentials are expressed by employing wave function expansion method and the expanded mode coefficients are determined by satisfying the boundary conditions at the interfaces. The addition theorem for cylindrical wave function is used to accomplish the superposition of wave fields in different coordinate systems. Analyses show that the effect of the interface properties on the dynamic stress is significantly related to the wave frequency of incident waves, the shear modulus ratio of the nano-inhomogeneities to matrix, and the relative position and distance between the two nano-inhomogeneities.     

位于弹性半空间上的理想流体层动力反应—平面P波入射

根据弹性介质与理想流体交界面的边界条件以及理想流体层自由表面的边界条件,基于位移势函数,推导了平面P波从弹性半空间入射到与理想流体层的交界面时,确定交界面波的透射与反射系数的理论方程。根据该方程,通过数值算例,分析了弹性半空间的弹性模量和密度、平面P波的入射角以及入射频率对理想流体层动压力的影响。     

SH波作用下层状土层随机波动分析

提出了SH波作用下层状土层地震反应分析的随机波动分析方法。在这一方法中,将波动理论和随机振动理论结合起来,求解波动方程和土层地震反应的统计参数,可以准确而又方便地综合考虑地震波斜入射及基岩弹性刚度对土层地震反应的影响。随后进一步通过算例分析,讨论了基岩弹性刚度及SH波入射角度对半空间上均匀土层地震反应的影响及其规律,为工程中进行复杂土层的地震反应分析提供参考。