自由度绑定边界在地下结构动力有限元 分析中的实现与验证

应用数值模拟进行地下结构的动力反应分析时,需要处理计算区域的边界问题。应用有限元软件ABAQUS建立了下卧为刚性基岩的土-结构相互作用模型,在计算区域的两侧边点分别设置自由边界和绑定自由度的人工边界,以远置人工边界的解作为精确解。数值模拟对比分析了自由场地和含有结构场地的动力反应,结果验证了绑定自由度边界在ABAQUS中的适用性和精确度。     

地下结构地震响应分析的高效混合模拟方法

数值模拟是地下结构抗震分析的重要手段之一,然而地震动输入及边界效应、模型尺度规模等因素均会影响数值模拟的计算精度和效率,并且存在计算尺度、计算时间、计算精度之间的矛盾,因此如何高效、精确地模拟地下结构与地层相互作用体系的地震响应仍是亟待解决的关键问题。基于区域缩减法（DRM）将边界元和有限元相融合的核心思想,旨在建立能够合理模拟地下结构-地层系统地震响应特征的高效混合分析方法。首先将地下结构-地层整体模型划分为近场地层-结构内域子模型和远场地层外域子模型,通过构造重合节点保证内域-外域耦合边界处的位移连续性;其次,基于边界元求解外域自由场或地形影响下的非自由场地震动特征,并采用DRM构造矩阵方程将外域动力响应转化为等效地震荷载,可以在保证地震动合理输入的前提下极大地缩减外域模型尺寸,进而实现对内域中地下结构地震响应的快速参数化分析;最后,设计了两组典型算例以检验该方法的可靠性和高效性。结果表明：对于无地形影响下的双线隧道地震响应模拟,通过与远置边界参考解对比验证了方法的有效性;对于受地形条件影响下的双线隧道地震响应模拟,本方法在保证精度要求的基础上极大缩减了包括地形在内的外域模型范围,...     

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。     

高层建筑结构直接基于位移的抗震设计方法

首先对结构进行自由振动分析,求出各阶振型的弹性自振周期及相应的振型值;然后根据各振型的自振周期,由位移反应谱导出单自由度体系的等效位移,接着由等效原理反推出结构各振型的弹性位移,振型组合后得到结构的位移曲线;再由与性能水平相应的结构层间侧移角限值确定结构各振型目标侧移,对其分别进行分析计算,振型组合求得结构层间剪力,实现了考虑高振型影响的高层建筑结构直接基于位移的抗震设计。通过算例介绍了方法的全过程,并由弹塑性时程分析验证了方法的可行性,为高层建筑结构直接基于位移的抗震设计提供了一个可供参考的思路。     

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。     

考虑P波斜入射下海底沉管隧道三维地震响应分析

沉管隧道是连接海域和陆域的交通枢纽,对我国经济和社会发展的推动作用巨大,其地震安全性至关重要.根据三维黏弹性边界基本理论,基于黏弹性边界的等效荷载理论和输入方法,探讨了地震波斜入射时等效荷载的实现方法,并通过算例验证了地震波斜入射时等效荷载输入方法的合理性.在此基础上以大连湾海底沉管隧道为工程背景,建立三维土层及沉管隧...     

具有弹性边界的一次落架超静定混凝土结构的徐变次内力

从徐变次内力计算的等效荷载向量出发,应用等效弹性模量法推导了一次落架混凝土结构的徐变次内力求解过程和步骤,证明了具有刚性约束边界的一次落架等截面混凝土结构徐变次内力为零的结论,同时得出了具有弹性边界的超静定混凝土结构即使一次落架,其徐变次内力和位移都不为零的不同特点,并给出了工程应用算例。     

土-结构相互作用对隔震体系的影响

为研究地基-结构相互作用效应对基础隔震结构隔震效果的影响,以多层带地下室的基础隔震平面框架为研究对象,运用ANSYS有限元分析软件建立二维有限元模型,采用黏弹性人工边界来模拟无限域介质对计算区域的影响,利用等效荷载波动输入方法来实现地震波作用下人工边界上的波动输入,通过对不同场地类别下结构的动力特性进行分析,研究了考虑SSI时结构的地震响应。结果表明,考虑SSI效应会减小结构的自振频率,增大结构的动力响应,场地土较软时尤其显著;考虑SSI效应能减小隔震层相对于基底的位移量;软弱地基会降低隔震效果。     

考虑平-扭耦联效应黏弹性阻尼器最优位置研究

为了研究控制平-扭耦联效应黏弹性阻尼器最优位置问题,推导不同偏心形式单层偏心结构,采用不同方式布置黏弹性阻尼器减震结构考虑平-扭耦联效应的振动方程,建立基于结构平动与扭转位移响应相关性的目标函数。利用随机振动理论中的李雅普诺夫方程和最优控制理论,建立并求解偏心结构平面几何中心位移响应协方差矩阵,通过求得目标函数最小值找到阻尼器的最优偏心位置。在此基础上编制相应程序对典型算例进行数值计算,分析不同偏心形式下,地震荷载输入条件、等效阻尼比、静力偏心率、扭平频率比、结构周期、结构尺寸效应对考虑平-扭耦联效应时黏弹性阻尼器最优位置的影响规律。     

两层三跨框架式地铁地下车站结构弹塑性工作状态与抗震性能水平研究

针对目前缺乏对现有地铁地下车站结构抗震性能水平的认识,根据相关规范的规定,设计了7种研究不同场地类别,并考虑输入地震动强度,分析了两层三跨框架式地铁地下车站结构的动力损伤特性及其抗震水平。结果表明,地铁地下车站结构的弹性和弹塑性工作性态层间位移角限值分别小于地面钢筋混凝土框架结构的对应值;同时,地铁地下车站结构从弹性极限工作状态到弹塑性极限工作状态所对应的层间位移角的差值也较小,说明其抗震延性明显比地面钢筋混凝土框架结构的要差。基于计算结果,分析了不同输入地震动强度下地下结构层间位移角、结构与土体的刚度比和输入峰值加速度之间的关系,建立了该类地铁地下车站结构层间位移角随地下结构与地基的刚度比和输入地震波峰值加速度变化的预测公式,以及该类地下车站结构层间位移角限值与抗震性能水平的一一对应关系,初步给出了该类地下车站结构基于层间位移角的抗震性能水平划分和物理描述。     

地震分析中的人工边界及其在LS-DYNA中的实现

 地震分析中的局部人工边界由于具有易于实现、稳定性较好的特点,目前在时域有限元法中得到广泛应用。基于球坐标系的膨胀波(P波)和剪切波(S波)理论,引入无限介质线弹性本构关系,并采用多个平面子波和远场散射波混合透射,推导一种新的三维黏弹性人工边界方程。在有限元分析中采用边界单元作等效处理,并将地震加速度记录转化为基底边界单元上的等效节点力进行输入,建立一种新的地震反应数值模拟技术。最后以人防工程结构的地震分析为例,利用有限元软件LS-DYNA分析弹性边界、透射边界及黏弹性边界对计算结果的影响。数值模拟表明,黏弹性人工边界简单实用,可解决地震动输入和自由场响应模拟问题,能更好地模拟人工边界外半无限介质的弹性恢复性能和能量辐射作用,并验证其有效性。     

层状半空间中洞室群对地震动的时域放大作用

采用间接边界元法和频域变换方法研究了层状半空间中洞室群对地震动的出平面时域放大作用,并以天津地区典型场地为例分析了洞室间距和入射地震动频谱对放大作用的影响。研究表明,洞室群对地震动的放大作用非常大,与自由场相比,地表加速度峰值放大32.1%,地表加速度反应谱峰值放大85.2%,洞室群对地震动的频谱也有明显影响;洞室间距越小,洞室之间的相互影响越大,对地震动的放大作用越大。研究对于地铁沿线设计地震动的估计具有参考价值。     

地下爆炸的地表运动研究

将整个地下爆炸破坏区看成爆炸地震波的震动源,根据爆炸等效荷载理论和爆炸近区破坏理论,得到用速度表达的空腔边界荷载。提出地下爆炸震源的简化计算模型,将地下爆炸的地表响应转化为弹性半空间内球面膨胀波的传播和反射问题。运用不完全分离变量法的理论计算爆炸地震波在半空间内传播,得到地表质点响应的运动场。以数值计算为基础,定量分析地下爆炸的地表运动,得到地表最大质点速度的指数衰减规律。与国内外试验得到的经验公式进行对比,验证该计算方法的正确性。     

三维局部场地对地震波的散射IBIEM-FEM耦合模拟

针对任意三维复杂局部场地对地震波的散射问题,发展了一种有限元–间接边界积分方程耦合方法(FEM-IBIEM)。其中IBIEM利用层状半空间集中荷载动力格林函数,可精确实现半无限层状介质中波的辐射条件,同时可大幅度降低计算内存;FEM可方便处理近地表复杂场地的几何、材料特征。在精度检验基础上,以三维沉积盆地和山体对地震波的散射为例,展示了方法对复杂局部场地反应问题的适应性,同时针对三维盆地效应和山体震动得出了一些有益结论。计算方法可应用于层状无限域中任意不均质体对弹性波的散射求解。     

Effect of dynamic soil properties and frequency content of harmonic excitation on the internal stability of reinforced soil retaining structure

The effect of dynamic soil properties and frequency content of harmonic excitation on the internal stability of reinforced soil retaining structure is investigated. Arc of a log-spiral is considered as the failure surface in the present limit equilibrium analysis. Backfill and reinforced soil is modeled as a visco-elastic material. The whole structure is considered to be resting on a rigid stratum. Backfill soil and the reinforced soil retaining structure are subjected to harmonic shaking at the base. Present methodology satisfies the stress boundary condition at the ground surface. In the present study, amplitude and phase of the horizontal and vertical seismic accelerations change with depth and the variation of accelerations along the depth is found to be time dependent and nonlinear. All the four possible combinations of horizontal and vertical seismic inertia force directions are considered to determine the total reinforcement force and critical length of the reinforcement. In the present study, amplification of accelerations towards the ground surface depends on the dynamic soil properties and frequency content of input excitation. Detailed parametric study is done to understand their implications on the solution. An algorithm is proposed at the end of this paper which uses strain dependent equivalent linear values of shear wave velocity (V_s) and damping ratio (ξ) to compute the total reinforcement force and critical length of the reinforcement. The limitation of equivalent linear based approach is that it only considers vertically propagating shear wave. Comparison of present method with other theories is also presented showing the merit of the present study.     

大型地下洞室群地震响应分析的动力子模型法

 水电站地下洞室群埋深大,在动力分析时若将模型建至地表将使网格规模庞大,不利于分析效率的提高。提出适合于大型地下洞室群地震响应分析的动力子模型法。该方法将大范围、粗网格的地下地震波动场计算与小范围、细网格结构动力计算分开,分别建立粗网格和细网格模型进行分析。首先,根据深部基岩的地震波传播特性,采用幅值线性折减的方法对地表加速度时程向基岩深处推算,得到在模型底边界的加速度时程,再输入模型可算得大范围的地震波动场。其次,把结构计算模型边界节点放入波动场计算模型中插值,可获得计算模型边界条件,最后,完成地震荷载的输入。算例表明,推算所得模型底部加速度时程考虑工程具体条件,比规范规定的单一折减系数更能反映实际工程的地下地震动特性。同时,在地下洞室的地震响应分析中,地震波过早被地表反射或不考虑地震波的反射,都会对计算结果造成误差,动力子模型方法能够在保证计算结果精确性的同时,使细网格的计算模型不建至地表自由面,可显著缩减网格规模,提升动力计算效率。     

A numerical framework for underground structures in layered ground under inclined P-SV waves using stiffness matrix and domain reduction methods

A numerical framework was proposed for the seismic analysis of underground structures in layered ground under inclined P-SV waves. The free-field responses are first obtained using the stiffness matrix method based on plane-wave assumptions. Then, the domain reduction method was employed to reproduce the wavefield in the numerical model of the soil–structure system. The proposed numerical framework was verified by providing comparisons with analytical solutions for cases involving free-field responses of homogeneous ground, layered ground, and pressure-dependent heterogeneous ground, as well as for an example of a soil–structure interaction simulation. Compared with the viscous and viscous-spring boundary methods adopted in previous studies, the proposed framework exhibits the advantage of incorporating oblique incident waves in a nonlinear heterogeneous ground. Numerical results show that SV-waves are more destructive to underground structures than P-waves, and the responses of underground structures are significantly affected by the incident angles.     

SV波作用下刚性挡土墙地震主动土压力时频域计算方法

 基于弹性波动理论,概化刚性挡土墙的动力分析模型,利用水平分层法,建立单元体的受力平衡微分方程,借助Hilbert-Huang变换,提出地震作用下刚性挡土墙地震主动土压力的时频域计算方法,并通过与振动台试验结果的对比验证该方法的合理性。分析输入波频率对刚性挡土墙墙后填土的临界破裂角、地震主动土压力合力以及作用点的影响,结果表明：随着地震烈度的增大,临界破裂角逐渐减小,地震主动土压力合力逐渐增大,合力作用点位置略有上移;随着输入波频率的增大,临界破裂角和地震主动土压力合力分别呈“倒马鞍型”和“正马鞍形”分布,并且均在输入波频率与刚性挡土墙系统自振频率相近时达到最大,而地震主动土压力合力的作用点则基本上不变;按照现有规范不考虑输入波频率进行刚性挡土墙地震稳定性设计,可能会降低挡墙的地震安全储备。刚性挡土墙地震主动土压力的时频域计算方法不仅能够考虑地震波三要素(峰值、频率以及持时)对挡墙土压力的影响,同时也能够为其他类型支挡结构的抗震时频设计提供一定的参考。     

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。     

装配式RCS组合节点减震框架结构地震响应研究

为研究布置扇形铅黏弹性阻尼器的装配式RCS组合节点框架结构地震响应,选取不可替换的装配式RCS组合节点JD-1、可替换的装配式RCS组合节点JD-2、JD-3、JD-4连接的减震框架结构与普通刚接减震框架结构,对其进行地震响应分析并将计算结果与未设置阻尼器的RCS框架结构结果进行对比分析,研究其减震效果.结果表明:在布...