地铁运行引起场地振动的荷载与分析方法

利用实测钢轨加速度时程,建立地铁列车二系弹簧模型,考虑轮轨非线性接触及轨道不平顺,求得了钢轨荷载时程。分别由钢轨荷载时程求得了简单模型的隧道仰拱荷载时程和由列车轮载求得了纵向钢轨-隧道-地基模型的仰拱轮载时程,为地铁环境振动分析提供了基本数据。在此基础上,进行地铁所致环境振动的二维和三维模型的计算比较,考虑了粘弹性和粘性人工边界的不同影响。对比得出了二维模型地铁环境振动分析的适用计算方法和隧道荷载以及三维模型的适用隧道荷载。还比较了三维模型环境振动分析采用不同人工边界的影响。最后,利用隧道仰拱荷载施加于二维模型分析了地面振动的衰减规律,并与实测数据进行了比较,结果符合较好。     

移动列车荷载作用于单层Euler梁上时地基土的变形分析

以弹性波动理论及分层法为基础,提出一种计算车辆-轨道-地基土耦合体系动力响应的方法,其中将列车荷载分别简化为移动荷载、单自由度移动质量块及双自由度移动体系,轨道模拟为单层的Euler梁.考虑车辆-轨道-地基土的协同工作,计算地基土的变形.计算分析表明:1)地基土变形最大值出现在荷载作用点附近;2)将列车荷载仅仅简化为移动荷载是不合理的;3)车辆重量对地基土变形影响较大;4)车辆与轨道结构本身均有一定的减振功能.同时,与同类研究方法相比,该方法有计算量小的优点.研究成果可为研究由列车振动荷载引起的环境振动分析和评价提供参考.     

轨道随机不平顺影响下高速铁路地基动力分析模型

考虑轨道随机不平顺影响,建立了移动车辆-有砟轨道-路基-层状地基垂向耦合振动解析模型。模型中,将虚拟激励法和解析的波数-频率域法有效结合起来,直接由轨道不平顺的功率谱密度得到准确的动态轮轨力功率谱。将移动列车轴荷载和轨道随机不平顺引起的动态轮轨力考虑为傅里叶级数表示的谐波叠加形式,根据线性系统叠加原理,求得地基动力响应功率谱估计值与时程结果。利用在波数域内直接计算位移频谱、划分合适谐波区间等技术,显著提高了随机振动响应功率谱和时程的计算效率。对比分析了地基表面测点垂向振动加速度时程与频谱的理论计算与现场实测结果,证明了本文模型的合理性。     

层状地基中基于虚土桩模型的单桩沉降计算方法

基于虚土桩模型及荷载传递法,针对理想弹塑性荷载传递函数,推导了均质地基中以桩侧土塑性发展深度为变量的桩顶荷载-沉降曲线计算方法,且进一步利用递推方法将其推广到层状地基中并给出了桩身轴力及桩侧摩阻力的计算方法。在此基础上,给出了荷载传递模型参数的选取方法并分析了虚土桩计算长度的影响因素及取值方法。然后,利用该算法分析了桩及虚土桩压缩模量对荷载-沉降曲线的影响。最后,结合工程实测数据,对比了计算荷载-沉降曲线、实测曲线和由规范方法得到的荷载-沉降曲线,结果表明:在一定的荷载范围内,采用基于虚土桩模型的单桩沉降计算方法计算得到的桩顶沉降值与实测值较为吻合,实际工程应用优于规范法。     

基于L-M算法的神经网络在环境振动分析中消除本底振动的应用

公路、铁路及城市轨道交通引起的环境振动实测数据中含有本底振动的干扰,从时域分析角度提出基于L-M(Levenberg-Marquardt)算法的神经网络法消除本底振动,阐述了该法的基本原理和实现步骤,采用L-M算法对神经网络进行训练,具有收敛速度快、计算精度高的特点。通过一段交通振动加速度时程与一段本底振动加速度时程叠加合成实测振动加速度时程,分别用L-M神经网络法和其他几种方法对合成的实测振动加速度时程进行本底振动消除计算和对比分析。计算结果表明,L-M神经网络法能更加精确的计算出真实交通振动产生的时程曲线、功率谱密度曲线、1/3倍频程中心频率处振动加速度级和计权振级。     

高速铁路路基模型列车振动荷载模拟

针对高速铁路轨道-路基实尺试验模型提出了列车振动荷载模拟装置,该装置由反力架、作动器及分配梁等组成。参照实尺模型,建立了轨道-路基三维有限元数值模型,以运行速度为350km/h的CRH380型动车组、CRTSⅡ型无砟轨道为研究对象,计算并分析了列车移动荷载加载和作动器加载时路基的竖向动应力和竖向动位移,结果表明采用作动器联动加载可较好地模拟列车动力荷载。为获得动力加载时程曲线,采用数值模型建立相邻车厢的两个相邻转向架经过轨道时扣件点反力时程曲线,结合分配梁体系的传力特性和MTS伺服加载试验机对输入时程曲线的要求,通过对扣件点反力时程曲线进行叠加和傅里叶变换得到了作动器的输入时程曲线。     

可液化砂土中群桩基础地震响应的振动台试验研究

为研究可液化砂土地基中桩基体系在地震力作用下的动力特性,进行室内振动台天然地基、3D、3.5D、4D桩间距桩基加固地基四种工况模型试验。通过布设传感器对各工况下特定深度的初始有效应力、振动过程中超静孔隙水压力时程、沉降时程进行测定,对桩基加固地基振动前后竖向承载力进行分析。结果表明,桩基加固后的地基土发生液化滞后于天然地基,且桩间距为3D、3.5D的加固地基提高抗液化强度较明显。随桩间距的加大,提高程度会减弱;据不同工况振动过程中发生的最大沉降量,3D桩间距加固的桩基竖向动承载力较高;模拟地震力振动达稳定后桩基的竖向承载力均高于振动前同工况竖向承载力。试验分析可对饱和砂土在地震力作用下PSSI效应进一步理解, 为桩基优化设计提供参考。     

高速列车荷载作用下高架桥和地基振动分析

提出了一种准解析方法来分析高速列车运行荷载作用下高架桥的动力响应。着重考虑了桥梁和地基的动力相互作用。通过动力子结构方法把研究对象分成两部分，一个是列车荷载作用下三维高架桥的有限元振动模型，另一个是基于傅里叶级数展开的轴对称群桩基础与周围分层地基动力相互作用模型，两者通过桩基承台节点处的连续条件进行结合。用薄层单元构建了应力波的透射边界条件来模拟远场地基对近场有限元区域的影响作用。用阻抗函数来表示群桩基础对上部桥梁结构的支撑作用。通过数值计算考察了软弱地基上新干线高架桥在高速列车荷载作用下的振动特性，分析了列车轮轴荷重，运行速度和群桩基础等因素对高架桥振动的影响；本分析模型和方法在计算上具有很高的效率。同时根据计算结果与现场实测的对比说明了本方法的可靠性。     

基于有限振动信号的某移动天线有限元风荷载动力反应分析

提出了一种现场实测的有限振动信号与结构有限元模型模拟分析相结合的方法来获得结构（天线）在实际风荷载作用下的动力反应,即首先测试结构在脉动风荷载作用下的有限振动信号,如：加速度时程和频谱曲线,然后通过结构运动方程模拟出脉动风荷载时程并施加到结构有限元模型中,通过有限元计算求出模拟风荷载与实际风荷载之间的修正系数k,最后把修正后的风荷载时程再次施加到有限元模型中进而得出结构在实际脉动风荷载作用下的内力。通过比较,有限元分析结果与试验结果吻合较好,为结构在脉动风荷载作用下的全过程反应分析提供了一种简便方法。     

双向非均质土中填砂竹节管桩纵向振动理论与试验研究

填砂竹节管桩是一种新型复合桩基,通过竹节管桩、桩周填砂层和地基土共同承担上部荷载。基于考虑竖向波动效应的轴对称黏弹性土体模型研究其桩顶动力响应。利用虚土桩模拟桩底土体的支承作用,并对桩周介质进行径向和纵向分层,而后利用连续条件推得桩和桩周介质界面接触应力,根据拉氏变换和阻抗传递函数计算复合桩基桩顶阻抗解析解和速度时域响应半解析解,并讨论填砂层和竹节参数的影响;将理论曲线与现场试验实测曲线进行对比,结果表明,理论曲线和实测曲线吻合较好,所建模型能够反映实际工况下填砂竹节管桩的动力响应。研究成果对于填砂竹节管桩纵向振动的理论研究及工程应用具有一定的参考价值。     

考虑土-结构相互作用大型动力机器基础三维有限元分析

本文提出了考虑土-结构相互作用计算大型机器基础动力反应的三维有限元方法.该方法将动力机器基础与周围地基作为一个完整的研究对象,将基础作为粘弹性体反映基础变形,建立粘-弹性人工边界模拟半无限地基的辐射阻尼和远场地球介质的弹性恢复性能,并通过构造等效弹簧实体元使这一人工边界在商业有限元程序中实现。文中进一步将上述方法用于分析燕化高压聚乙稀装置压缩机基础的动力反应，并通过数值试验定量讨论了影响大型机器基础动力反应的主要因素，得出了一些有用的结论。     

大型沉井基础地震反应分析中侧向边界的影响

以苏通大桥沉井基础方案为例,通过数值分析,分析土层侧向人工边界设置位置对沉井基础地震反应计算的影响。探讨了土层和结构地震反应随土层计算范围不同而变化的规律。为在计算大型沉井基础的地震反应有限元分析中,合理确定有限土域范围提供依据。当土层单侧外延为土层厚度的4倍时,土层中人工侧向边界对沉井地震反应(如单元的弯矩、剪力和轴力等)的影响可以控制在1%的相对误差之内。     

Rayleigh波作用下地下结构地震反应影响分析

采用基于时域粘弹性人工边界的Rayleigh波输入方法,进行了土-地下结构相互作用体系在Rayleigh波作用下的动力时程反应分析,对Rayleigh波作用下地下结构的地震反应特性进行研究。重点讨论了地下结构材料强度、结构厚度以及土层刚度等因素对Rayleigh波作用下地下结构地震反应的影响。结果表明Rayleigh波对浅埋地下结构的地震动力反应影响显著,将使结构产生较大的内力与变形,在地下结构抗震设计尤其是浅埋地下结构的抗震设计时应予以足够的重视。     

Dynamic response of finite sized elastic runways subjected to moving loads: A coupled BEM/FEM approach

The transient response of a finite elastic plate, resting on an elastic half-space, and subjected to moving loads is considered here. Both the cases of an elastic foundation alone, as well as a finite sized elastic plate resting on an elastic foundation are considered. The numerical methods employed are: (1) the time-domain boundary element method for the elastic foundation and (2) a combination of the time-domain boundary element method for the soil and the semi-discrete finite element method for the finite sized elastic plate. Both constant as well as linear-time-interpolation schemes are included in the BEM. The integration is carried out analytically in time. The analytical solution for a moving point load on an infinite elastic plate resting on an elastic half-space is derived here. This is used as a benchmark against which the present numerical solution is compared with. The accuracy of the numerical method is also verified by comparing the solutions with some existing numerical results; the comparison with the solutions based on a Winkler foundation model reveals the limitations of the applicability of such a model, especially in the cases of high velocities of the moving load. This is because neither the inertia of the foundation, nor the behaviour of the foundation as a continuum, can be properly accounted for in Winkler's model. A parametric study is conducted, and the influences of velocity of the moving load, load distribution, etc. on the dynamic response of the soil/runway system are investigated. Furthermore, the present computational method is applied to the problem of a transport airplane taxiing on a concrete pavement resting on a typical soil. The responses of pavements are presented for different taxiing velocities.     

Transient analysis of three-dimensional dynamic interaction between multilayered soil and rigid foundation

The study of dynamic soil-structure interaction is significant to civil engineering applications, such as machine foundation vibration, traffic-induced vibration, and seismic dynamic response. The scaled boundary finite element method (SBFEM) is a semi-analytical algorithm, which is used to solve the dynamic response of a three-dimensional infinite soil. It can automatically satisfy the radiation boundary condition at infinity. Based on the dynamic stiffness matrix equation obtained by the modified SBFEM, a continued fraction algorithm is proposed to solve the dynamic stiffness matrix of layered soil in the frequency-domain. Then, the SBFEM was coupled with the finite element method (FEM) at the interface to solve the dynamic stiffness matrices of the rigid surface/buried foundation. Finally, the mixed-variable algorithm was used to solve the three-dimensional transient dynamic response of the foundation in the time domain. Numerical examples were performed to verify the accuracy of the proposed algorithm in solving the dynamic stiffness matrix of the infinite domain in the frequency domain and the dynamic transient displacement response of the foundation in the time domain. Compared with the previous numerical integration technique, the dynamic stiffness matrix in the frequency domain calculated by using the proposed algorithm has higher accuracy and higher efficiency.     

基于逐步扩大网格法的饱和无限地基动力分析

饱和无限地基的动力分析是研究结构与饱和土共同作用的基础。当用有限区域模拟饱和无限地基时,将在人工截取的边界上发生波的反射,导致模拟失真。该文基于远置人工边界的原理,采用逐步扩大网格法的思想来解决这一问题。并通过算例验证了该方法的精度。该方法避免了饱和介质中其他人工边界实施上的繁琐,并且避开了其它人工边界存在的大角度入射情况以及稳定性问题等不确定因素,可以用于饱和介质中其他人工边界条件的检验工作。     

地震作用下深厚土层-结构相互作用的高效分析方法

基于黏弹性边界和将场地反应转化为等效地震荷载的有限元直接法是目前进行地震作用下土-结构相互作用分析的常用时程分析方法之一。当土层厚度较深时,整个深厚土层-结构系统的有限元模型自由度数目较多,尤其对于三维问题,计算效率低。该文提出一种高效分析方法,即一维场地反应分析仍然针对整个深厚土层,在后续的土-结构相互作用分析中将土-结构计算模型的底面人工边界从深厚土层底面（基岩面）向上移动到接近结构的位置,通过缩减土-结构相互作用模型尺寸来提高计算效率。采用理论分析与数值算例,通过与采用整个深厚土层的传统土-结构相互作用分析结果对比,说明提出的高效分析方法能够满足精度要求,并且给出底面人工边界位置以及边界条件和地震动输入方式的建议。     

预应力管桩动测承载力数值分析及参数取值研究

在基桩动测承载力计算时,桩周土动力参数取值未考虑与其埋深的关系、各土层阻尼系数和最大弹性变形值未根据土层性质分别取值进行计算,这与实际情况不相符合。为了使基桩动测承载力计算结果更接近实际情况,通过桩周土动三轴试验,分析动力参数取值与其土层埋深的关系;在Bowles方法的基础上,各土层采用不同阻尼系数,以及各土层采用不同最大弹性变形值,对该分析方法进行改进;通过对典型泥质粉砂岩持力层的12根试验桩进行极限荷载试验,验证和修正该数值计算方法。研究结果表明土层分布尤其是较浅部土层分布对锤击桩时土动力学响应影响较大;改进方法计算基桩动测承载力更为合理。     

路面动载响应模型研究

基于目前国内外路面设计方法多以静荷载为基础,这与实际路面经受的汽车荷载为动载这一事实不相符合。利用弹性动力学理论方法,借助大型有限元软件ABAQUS对动荷下柔性路面结构响应规律进行了计算分析。根据动荷载及路面结构本身特点,重点考虑了模型尺寸、层间接触状态及土基特性等因素对路面动载响应的影响。结果表明:对于较大的模型尺寸,采用无限单元方法是一种省时省力的解决办法;层间接触特别是面层与基层之间的接触状况对路面结构的变形与受力状态有很大的影响;而邓肯张模型与线弹性模型相比两者在响应恢复阶段有较明显差异。     

无限地基相互作用力时域求解的阻尼溶剂逐步抽取法

无限地基相互作用力时域求解的精度及效率是面向实际工程结构动力分析的关键问题。基于阻尼抽取法模拟地基无限域动力特性的思想,从数值实现中的误差源出发,提出了一种施加较大附加人工阻尼再分步依次移频抽取的阻尼溶剂逐步抽取法,并给出了具体实现公式。该方法可以最大限度地消除反射波波动能量及抽取人工高阻尼的影响,提高了算法的精度,降低了人工高阻尼与地基区域大小的相互制约性,并能适应地基有限区域表面几何结构复杂多变的情况,具有较高的工程实用价值。最后,通过对典型三维半无限空间问题的动力反应分析,将计算结果与精确解,阻尼抽取法模型和粘弹性人工边界模型进行对比研究,证明了该方法具有良好的精度和计算效率,并对不规则地基有限域模型进行分析,验证其良好的工程适用性。