双线隧道中单侧隧道内爆炸引起地面建筑的动力响应及滑移隔震研究

该文针对双线地铁隧道中单侧隧道内爆炸引起的附近地面建筑物的动力响应及滑移隔震效应进行了数值模拟研究。采用八结点等参元和集中质量体系来分别模拟包含隧道的有限土区和地面多层建筑,并将其耦合形成整个相互作用体系模型。在基底摩擦力计算中提出修正连续摩擦力模型,以克服传统Coulomb摩擦力模型的内在缺陷。通过与单线隧道内爆炸引起建筑物响应及滑移隔震效应的算例对比分析,揭示出地表建筑物在遭受地下单侧隧道内爆炸产生的经相邻隧道反射及衍射后的冲击波作用所引起的动力响应特征及其基底滑移隔震效果,从而为相关的理论研究和工程实践提供重要的数据参考。     

基于指数摩擦力模型滑移隔震结构的动力特性

基于指数摩擦力模型,本文利用预估校正的数值积分方法计算滑移隔震结构的动力响应,分析了地面谐运动下结构的加速度传递率及基底滑移率随频率比的变化规律,并发现滑移隔振结构的振动有振幅跳跃、基底爬行等非线性动力特征。     

地铁振动预测的周期性有限元-边界元耦合模型

针对地铁列车运行引起的隧道结构和自由场中的振动响应问题,提出了一个在频率-波数域内的三维周期性有限元-边界元耦合的数值模型,此模型中隧道结构采用有限元法计算,自由场采用边界元法模拟.此模型采用Floquet变换,利用隧道和自由场在隧道轴线方向上的周期性,把无限长的隧道及自由场的网格划分限制在一个基本元内,这样使动力学数值计算的效率大大提高.利用此模型计算了在隧道底板上施加固定单位谐振荷载情况下隧道一自由场相互作用系统的动力响应,结果表明此模型可应用于地铁列车运行引起的隧道和自由场中的动力响应预测.     

地铁车辆交会对单洞双线隧道影响的数值模拟

为利用显示非线性有限元法分析地铁交会工况对南京某大型单洞双线隧道的影响,基于拟实建模方法,在LS-DYNA环境下建立了地铁车辆-单洞双线隧道-土体耦合系统的全三维有限元计算模型。模型非常接近真实情况,使用了接触方法来模拟轮轨之间,衬砌与土体之间的动力相互作用,使用了人工边界来模拟无限区域,还考虑了水压和土体预应力。对双车交会工况进行计算分析,得到单洞双线隧道在交会工况作用下的动力响应规律。结果表明:地铁交会产生的应力响应和位移响应都属于很小量级,隧道在交会工况下是稳定的。结果能为此类隧道的设计提供参考。     

环境激励下基础隔震结构的主要动力特性研究

通过对两栋基础隔震建筑在环境激励下的振动测试,运用随机子空间识别法和有理分式多项式法分别识别了结构的模态频率、振型和模态阻尼比。识别结果表明在环境激励下,基础隔震结构的基本频率远大于设计计算多遇地震工况下的基本频率;等效黏滞阻尼比很小,与未隔震结构的阻尼比相当,可以将基础隔震结构视为经典的比例阻尼系统。进一步以其中一栋为研究对象,以识别的模态参数作为修正基准,采用多目标优化的方法反演了环境激励下隔震层的实际水平等效刚度,结果表明其值为多遇地震下计算刚度取值的10.9倍。最后,基于反演的实际隔震层的水平等效刚度对结构的初始有限元模型进行了修正,并对修正后的模型进行了数值分析,分析结果与实际测试结果的对比表明修正后的模型可以更好地反映基础隔震结构在环境激励下的动力特性。     

半无限弹性空间中移动荷载动力响应的频域-波数域比例边界有限元法分析

基于Fourier积分变换和虚功原理,形成了频域-波数域比例边界有限元法,分析了移动荷载作用下半空间域弹性空间动力响应。首先对半无限域弹性体的动力控制方程进行时间到频域,荷载移动方向的空间域到波数的Fourier积分变换,然后选择比例中心,利用虚功原理,在地铁隧道孔洞横截面环向上采用有限元法意义离散,建立了频域-波数域比例边界有限元方程,进而形成了一阶微分矩阵方程形式的半无限空间动力刚度。文中理论推导表明:利用文中方法分析半无限域中沿地铁隧道结构纵轴向的移动荷载动力响应问题,不仅可避免无穷边界计算处理误差,而且可极大减小计算分析量。计算结果表明:半无限弹性地基的振动响应随移动荷载速度增大而增大,尤其是当荷载速度增大到土体剪切波速后,振动波传播到土体表面引起土体振动显著增大,土体振动性增大,将会对土体及表面结构的安全性形成一定影响,另一方面土体的振动在沿地铁隧道纵轴向的衰减比竖向慢。     

隧道施工期扰动对运营期隧道-土体系统动力响应的影响分析

地铁盾构隧道施工会造成地基土体扰动,由此产生的土体刚度退化会影响地基土体的振动响应。为考虑近场施工扰动对后期隧道系统动力响应的影响,提出了一种静力有限元和2.5维动力有限元联合的求解方法。首先,基于饱和土的波动方程,推导了以土骨架位移u和孔隙水压力p表示的u-p格式的饱和土2.5维有限元表达式,结合拉伸函数构建完美匹配层边界,建立u-p格式下饱和地基下的2.5维有限元-完美匹配层动力模型。其次,采用静力有限元模拟隧道施工,确定由于盾构隧道施工扰动引起的地基土体剪切刚度退化值。最后,将退化的土体剪切刚度代入2.5维动力模型,实现施工扰动对系统动力响应的影响分析。基于该方法,探讨不同地基土体和隧道形状时盾构隧道开挖施工对地表振动响应的影响。结果表明：隧道施工会增大地表土体的竖向振动位移,距离隧道越近,隧道施工引起的地表竖向位移增量越大,最大值出现在隧道中心线处;圆形和矩形隧道下的振动响应小于椭圆形隧道。     

平面SV波入射下地上建筑群-地铁隧道群动力相互作用研究

该研究采用一种高精度间接边界元方法(indirect boundary element method, IBEM),研究了平面SV波入射下地上建筑群-地铁隧道群的动力相互作用问题。研究表明：“建筑群-隧道群”系统存在显著的动力相互作用,其规律与入射波性质、建筑物和隧道数量排布等因素密切相关。通过对比不同建筑物数量对隧道动力响应的影响,能够发现：低频波作用下,建筑物对下穿隧道的动力响应有放大作用,而高频波作用下则会削弱隧道的动力响应,最多可以降低37.5%左右。从频域分析中可以看出：隧道对地震波有较强的屏蔽作用,从而降低了其上建筑群的地震响应。建筑群的存在降低了各个单体建筑的动力响应,但在高频波作用时位于建筑群来波一侧的建筑会产生较大的动力响应。该研究成果可为城市建筑群-地铁隧道群的动力相互作用分析以及地上建筑和地铁隧道的抗震设计提供理论依据。     

粘弹性土体中深埋圆形隧道的应力和位移分析

基于Biot固结理论,采用渗流-力学耦合模型,研究分析了粘弹性饱和土体中因开挖深埋圆形隧道而引起的周围土体的应力和位移场。假设衬砌和土体均为多孔介质,隧道处于半封闭状态,边界半透水。在拉普拉斯变换域中得到的应力、位移场和孔隙水压力解答,运用拉普拉斯数值逆变换得到数值计算结果,分析了隧道周围土体中应力、位移场及孔隙水压力的消散规律,讨论了隧道边界的渗透特性和土体的流变性质对应力、位移场以及孔隙水压力消散的影响。     

基于概率统计方法的隔震结构可靠度

该文用概率统计的方法分析隔震结构的抗震可靠度。对两个实际的隔震结构建立三维有限元模型并进行时程分析,求得层相对加速度、层间位移角、隔震支座剪应变和压应力等结构的动力响应参数,同时,收集隔震支座力学性能的实验数据并结合数值模拟,用假设检验方法,明确了隔震结构的各动力响应参数和隔震支座的抗力参数均服从对数正态分布,再用最大似然估计法,得到了隔震结构各动力响应和隔震支座抗力的概率特征参数。给定隔震结构的失效模式,建立以结构抗力和反应为变量的功能函数,采用一次二阶矩法,分析隔震体系的抗震可靠度,结果发现:按目前《建筑抗震设计规范》的隔震结构,与非隔震结构相比,即使上部结构的水平地震作用减小60%~70%,也不一定能达到“中震不坏”和“极大震不倒”的抗震性能目标,说明在编的《建筑隔震设计规范》对隔震建筑提出更高的要求。     

Dynamic response analysis of a building structure subjected to ground shock from a tunnel explosion

Dynamic responses of a multi-storey building without or with a sliding base-isolation device to ground shock induced by an in-tunnel explosion are numerically analyzed in this paper. The effect of an adjacent tunnel in between the building and the explosion tunnel, which affects ground shock propagation, is also considered in the analysis. Different modeling methods, such as the eight-node iso-parametric finite element and mass-lumped system, are used to establish the coupling model consisting of the two adjacent tunnels, the surrounding soil medium with the Lysmer viscous boundary condition and the multi-storey building with or without the sliding base-isolation device. In numerical calculations, a continuous friction model, which is different from the traditional Coulomb friction model, is adopted to improve the computational efficiency and reduce the accumulated errors. Some example analyses are subsequently performed to study the response characteristics of the building and the sliding base-isolation device to ground shock. The effect of the adjacent tunnel in between the building and the explosion tunnel on the ground shock wave propagation is also investigated in the study. The final conclusions based on the numerical results will provide some guidance in engineering practice.     

基于小波、小波包两种方法的爆破振动信号对比分析

在小波、小波包的理论基础上,结合某市城市建设中基岩爆破中振动监测数据,采用这两种方法对同一爆破振动信号在信号去噪、对细节信号的处理、信号的分解与重构方面将两种方法的应用和效果进行了对比。分析表明,采用小波包技术研究爆破地震波信号比小波分析技术有更强的灵活性,能更加完整地反映爆破振动信号的特征。     

爆炸荷载作用下坑道结构振动响应及影响因素分析

根据爆炸荷载条件下的模型坑道试验,运用LS-DYNA显式动力分析软件,对试验中典型坑道段在顶爆和侧爆作用下的动力响应进行了数值模拟计算,研究了模型坑道结构在爆炸荷载下的最大振动加速度分布特征,并与试验结果进行了对比验证。结果表明,计算结果和实测结果基本吻合,能够真实反映爆炸荷载下坑道结构的振动响应。最后对不同单个影响坑道振动的截面形状参数进行了一系列数值计算,分析了在相同爆炸荷载下单个特定参数对坑道振动影响规律。     

基于ALE的大型输水隧道地震动响应并行数值分析

提出基于ALE （Arbitrary Lagrangian-Eulerian）方法的输水隧道地震动响应并行数值分析方法,采用ALE方法模拟内水和隧道的相互作用,提出基于耦合负载均衡的并行计算方法加快求解速度,采用显式中心差分法完成方程求解。针对某大型输水隧道,建立内水-隧道-土体耦合的全三维数值模型,分析其在非一致地震激励下的动力响应。模型中考虑材料非线性、接触及流固耦合非线性等实际情况,并采用PML （Perfectly Matched Layer）建立人工边界模拟无限区域。在曙光5000A超级计算机上,利用所提方法,完成该大规模非线性问题的求解。通过与附加质量法对比,验证ALE方法模拟内水-隧道耦合的可行性;分析输水隧道地震激励下的应力及变形情况;讨论内水量及变形缝对隧道动力响应的影响;分析并行计算效率。结果表明:环向应力较大值出现在靠近工作井的截面,隧道结构满足强度要求;隧道截面变形量处于安全范围内;满水隧道较空隧道承受更大应力;变形缝可以降低隧道的动力响应;所提并行计算方法可以获得较好的并行效率。     

爆炸荷载作用下深埋圆形隧洞饱和土-衬砌系统的动力响应

考虑隧洞衬砌内壁对爆炸波的反射作用及其负压效应,将衬砌视为弹性介质,研究了深埋圆形隧洞饱和土-弹性衬砌耦合系统在隧洞轴线发生爆炸时的轴对称瞬态动力响应。首先,基于Biot理论和弹性理论,考虑边界条件以及弹性衬砌和饱和土接触面处的连续性条件,利用Laplace变换得到饱和土和弹性衬砌位移、应力和孔隙水压力等在Laplace变换域中的解析表达式。在此基础上,利用Laplace数值逆变换得到其时间域的动力响应,数值分析重点考察了不同隧洞模型和不同爆炸载荷模型对饱和土动力响应的影响,并进行了参数研究。结果表明:爆炸波反射产生的负压效应对饱和土体的动力响应有显著影响。同时,饱和土-壳体衬砌系统、饱和土-弹性衬砌系统和无衬砌饱和土隧洞的响应性态基本一致,但响应周期和幅度依次增大。     

耦合地震作用下的MRD与LRB混合控制结构动力分析

为改善铅芯橡胶支座(LRB)隔震结构的减震效果和适用范围,研究双向耦合地震作用对减震效果的影响。提出3种磁流变阻尼器(MRD)与LRB隔震混合方案,建立其双向耦合地震作用下的动力分析模型并推导出振动控制方程。对7层MRD与LRB隔震混合控制结构进行地震反应分析,3种混合方案在3种工况荷载作用下的相对加速度峰值、相对速度峰值、相对位移峰值和层间剪力峰值分别比LRB隔震结构有不同程度的降低。当考虑竖向地震作用时,随着竖向地震作用的加大,结构的地震反应有小幅度的增加,但各种结构方案都具有良好的减振效果。表明各混合方案在各种工况下的各项地震反应均得到了更好的控制,而混合方案3的减震效果更加明显。     

A finite element analysis of ship sections subjected to underwater explosion

This paper presents numerical simulations of dynamic responses of a ship section to non-contact underwater explosion using ABAQUS. The finite element model of the ship section including the size of fluid mesh, initial and boundary conditions etc. has been built up. Comparisons of the acceleration and velocity response between the experimental and numerical results have been investigated. The numerical results agree well with the measured results. Furthermore, the effect of the mass proportional damping factor on the velocity response have been investigated numerically. The dynamic response modes of the ship section subjected to a side-on non-contact underwater explosion are discussed.     

3D non-linear time domain FEM–BEM approach to soil–structure interaction problems

Dynamic soil–structure interaction is concerned with the study of structures supported on flexible soils and subjected to dynamic actions. Methods combining the finite element method (FEM) and the boundary element method (BEM) are well suited to address dynamic soil–structure interaction problems. Hence, FEM–BEM models have been widely used. However, non-linear contact conditions and non-linear behavior of the structures have not usually been considered in the analyses. This paper presents a 3D non-linear time domain FEM–BEM numerical model designed to address soil–structure interaction problems. The BEM formulation, based on element subdivision and the constant velocity approach, was improved by using interpolation matrices. The FEM approach was based on implicit Green's functions and non-linear contact was considered at the FEM–BEM interface. Two engineering problems were studied with the proposed methodology: the propagation of waves in an elastic foundation and the dynamic response of a structure to an incident wave field.     

无烟/有烟烟火药剂发射药动摩擦系数对比研究

针对烟火药剂发射药受摩擦作用点火时会导致意外爆炸,而动摩擦系数是衡量摩擦作用获得能量的关键参数问题,基于摩擦感度测试仪物理模型,结合理论建模与计算,获得测定动摩擦系数方法,并结合实验研究获得有烟发射药黑火药与无烟发射药退役单基药两种常用烟火药剂发射药的动摩擦系数;研究不同实验条件对两动摩擦系数影响。结果表明,两种烟火药剂发射药的动摩擦系数均为同一范围值,且随压力及滑动速度的增大,两动摩擦系数范围均有一定变化,而每种实验条件的黑火药动摩擦系数均大于退役单基药动摩擦系数。