考虑地基辐射阻尼的结构静动综合响应计算

推导了便于工程应用的底边界同时入射三向地震波时地基底边界和四个侧边界相应于黏弹性边界的地震动输入公式;对目前静动力分析中边界条件不统一的解决方法进行了综述,分析了其合理性;由工程实例可以看出,由基本方法求得的结构最大主应力较直接用黏弹性动力边界求解静力问题的方法更加接近实际,而最大主应力往往控制着材料的损伤破坏,因此,虽然操作过程比较麻烦,但仍建议用基本方法求解结构的静动综合响应。     

土-结构相互作用分析中几类地震输入方式的比较

地震作用下土-结构动力相互作用的整体有限元分析需要在人工边界处输入地震动。目前可能采用的地震输入方法包括黏弹性边界自由场输入方法、自由场应力方法、自由场位移方法以及侧边界自由方法。由于采用近似人工边界条件或者未完全考虑地震自由场,上述地震输入方法均为近似方法。本文以大开地铁车站二维有限元分析为例,根据规范建议的边界位置,研究了上述地震输入方法的精度,研究成果可为土-结构相互作用分析的合理地震输入提供一定参考。     

场地地震波动模拟中透射边界稳定性问题研究

本文对场地地震波动模拟中透射边界的稳定性问题进行了一系列研究。对已有的透射边界稳定措施做了比较分析,并给出了不同措施的适用性。结合粘弹性边界的物理模型提出了一个新的消除透射边界飘移失稳的措施,参考高频滤波的思路探讨了一种新的消除透射边界葛频振荡失稳的措施,并用数值试验验证了这两种新的透射边界稳定方法的有效性。将显式行限元一有限差分方法结合透射边界的数值解法的计算结果与解析结果作对比分析,验证这弹一套数值解法的计算精度。利用二维模型模拟了自贡土层和山脊地形的场地效应,利用显戈有限元一有限差分方法结合透射边界这套数值解法进行数值模拟计算,应用汶川地震的实示强震观测记录来验证这套数值解法对于实际地震波动模拟的有效性。     

复杂非均质场地条件下核电厂联合泵房抗震安全性评价分析

鉴于核电厂选址的愈发复杂多样性,合理有效地模拟复杂非均质地基条件下抗震I类物项结构的静动力耦合响应是进行抗震安全性评价的关键技术问题。以某核电厂联合泵房的实际厂址地基为背景,针对静动力分析中的边界处理问题,基于Newmark隐式积分特点和黏弹性人工边界理论,提出了一种适于静动力耦合分析求解的人工边界模型,并通过创建无厚度紧支黏弹性人工边界单元实现了所开发模型在ANSYS平台的嵌入。进而,通过联合泵房结构静力分析与极大初始时间步分析的对比,验证所提出模型的合理可靠性。最后,从结构应力、响应及地基稳定性等方面对联合泵房进行了综合评价,并就地基局部非均质的影响进行探讨。研究结果表明：实际厂址中局部捕虏体的存在对联合泵房结构的地震响应及地基安全性影响较小,且所建立模型具有较好地解决非线性动力相互作用问题的潜力。     

土-结构动力相互作用问题分析中地震动输入的一种新方法

为实现地震作用下土-结构动力相互作用问题的有限元模拟,需要在人工边界上完成地震动的有效输入,目前工程和科研中常用的地震动输入方法有两种:波动输入方法和振动输入方法。波动输入方法的模拟精度高,但实施上相对复杂且耗时,而振动输入方法处理简单,但模拟精度较低。针对应力型人工边界提出一种在人工边界上实现地震动输入的新方法,该方法通过对土-结构有限元模型中由人工边界节点及相邻节点组成的局部子结构施加自由波场位移时程并进行动力分析,从而直接获得可实现地震波动有效输入的等效地震荷载,然后在土-结构有限元模型的人工边界节点上施加等效输入地震荷载并完成动力计算,由此完成土-结构动力相互作用问题的地震动输入和地震反应计算。与原有波动输入方法相比,新方法避免了原方法需分别计算人工边界上自由场应力和由引入人工边界条件引起的附加力,以及需要根据不同人工边界面的外法线方向确定荷载作用方向等较为复杂的处理过程,具有等效地震荷载计算简便、地震动输入过程更易于实施的特点。采用均匀弹性半空间和成层弹性半空间一维地震反应算例初步验证新方法的正确性和可靠性。     

SV波在饱和土体自由表面的反射

基于饱和两相介质弹性波动方程分析SV波在饱和土体自由表面的反射问题,引入波动方程的势函数解答,求解出二维问题中SV波入射情况下饱和土体自由场的位移、速度、加速度和应力响应。在饱和土体自由场响应解析解基础上,建立SV波入射下饱和土体自由场静、动力有限元模型。建模中考虑了如下几方面因素:(1)在不同分析步,对土体单元赋予不同材料本构。通过*model change命令进行单元生死设定,从而实现在初始应力场平衡的静力状态下采用DuncanChang本构模型,而地震波动输入时采用Davidenkov动力本构模型;(2)采用多孔介质黏弹性人工边界条件,在人工边界上分别施加固相和液相介质的弹簧和阻尼来模拟饱和土体中能量的传播;(3)将地震波转化为作用在人工边界上的等效地震荷载,施加到人工边界节点上;(4)土体单元采用4结点平面应变孔压单元(CPE4P)。有限元计算与解析解比较结果表明:SV波在垂直入射和掠入射时,竖向位移响应为零;在45°左右入射时,水平位移响应最大;60°左右入射时,竖向位移响应最大。这些结论与解析解吻合较好,本文模型为建立土-结构动力相互作用模型打下良好的基础。     

ABAQUS模拟土-结构相互作用时人工边界的选取

利用有限元数值模拟方法研究半无限空间中的动力响应问题时,人工边界的选取对于计算结果的可靠性与准确性有直接的影响。本文利用ABAQUS有限元软件计算土-结构地震响应,分析了选用不同人工边界对计算结果的影响。通过与远置边界自由场和土-结构模型的数值结果对比,讨论了底边界分别采用固定边界和黏性边界;侧边界分别采用固定边界、绑定边界、竖向约束边界和黏性边界时的计算误差。研究表明,利用ABAQUS软件计算土-结构动力相互作用影响时,黏性边界适合作为非刚性地基问题的底边界,固定边界适合作为刚性地基问题底边界。对于侧向边界当采用相对计算宽度较小模型时,固定边界和黏性边界无法再现自由场和土-结构响应;绑定边界和竖向约束边界可以模拟精确的自由场响应,并在动力土-结构作用分析中具有良好的性能。     

考虑多维地震动及重力作用的土层场地地震反应分析模型

合理有效的工程场地自由场分析是开展地下结构地震反应计算、发展地下结构实用抗震分析方法的前提。目前常用的自由场分析方法多局限于单向地震动输入，难以考虑多向地震动共同作用时的非线性耦合效应。鉴于此，提出一种考虑水平和竖向地震动及重力荷载共同作用的土层地震反应分析力学模型，该模型采用捆绑约束条件作为侧面边界条件，采用基于黏性边界的地震动输入方法将输入地震动转化为等效地震荷载，可实现自由场计算中水平和竖向地震动以及重力荷载的同时施加，简化了计算步骤，减少了计算成本。此外，该方法考虑了水平和竖向地震荷载的叠加效应，对于考虑材料非线性及大变形影响的土层场地地震反应分析具有更为良好的计算精度与适用性。     

基于流固耦合动力模型的饱和土体-隧道体系地震反应研究

基于ABAQUS软件平台,应用自行开发的流固耦合动力模型孔压单元模拟场地土体,并通过黏弹性人工边界方法实现地震动的输入,对饱和土体场地中的双孔隧道结构在地震荷载作用下的动力反应进行研究。计算结果表明:在地震反应结束时刻,场地土体位移幅值在两隧道之间以及两隧道的附近区域较大,而远离隧道的区域则较小;场地底部区域土体的孔压幅值较大,而场地顶部区域土体则较小;隧道左右两侧拱腰部位的衬砌的应力较大,而拱顶部位则较小。计算结果同时表明了流固耦合动力模型孔压单元在饱和土体-隧道体系地震反应研究中的适用性。     

三维复杂山谷地形SV波垂直输入地震反应分析

本文基于显式有限元法研究了地震波垂直入射时三维复杂山谷地形对地震地面运动的影响,在数值分析中应用了三维化二维的解法和黏弹性人工边界的处理方法,实现了地震波垂直输入下三维复杂场地地震动数值模拟,并验证了该方法的合理性.以四川桃坪地区一山谷地形作为研究对象,基于地表高程数据分别建立了二维和三维场地模型,对比研究表明:在复杂地形情况下考虑二、三维模型时具有明显差异,三维模型能更真实地反映地形变化对地震动的影响,复杂地形条件下有必要考虑三维实际场地模型.本文对边界自由场的处理方法也可用于处理三维复杂场地地震动斜入射问题,为三维复杂地形场地地震效应研究提供参考.     

基于黏弹性边界的二维沉积盆地非线性地震响应分析

建立弹性基岩上覆软土场地中二维沉积盆地非线性地震响应分析的有限元模型。模型截断边界定义为黏弹性人工边界,地震波动以等效结点荷载的形式输入,土体的非线性特征以等效线性法模拟,求解在频域内进行。首先,借助高精度的有限元-间接边界元耦合法,验证模型的可靠性。其次,基于某一沉积盆地开展地震动数值计算,针对其线性与非线性响应的差异性进行分析。最后,通过比较非线性条件下自由场与存在盆地地形场地的响应结果,讨论盆地局部地形对地震动的影响。研究表明,土体的非线性特征对盆地地震响应有显著影响,在盆地中心附近有可能出现非线性地震响应大于线性响应的特殊现象;与自由场相比,盆地内的非线性地震响应普遍明显放大。     

常用岩土本构模型的选择及对场地动力反应分析结果的影响

合理选择本构模型是土动力学问题数值模拟中的一项重要工作。利用PLAXIS 2D软件的土工实验模拟功能分别对4种常用的岩土本构模型——线弹性模型、摩尔库伦模型、土体硬化模型和小应变土体硬化模型在往复荷载下的理论滞回曲线进行了对比分析,并在此基础上研究了选择不同本构模型对自由场地震反应分析结果的影响以及不同本构模型中各参数的变化对场地动力计算结果的敏感性分析。研究结果为土动力学问题数值模拟中如何选择本构模型和合理判断数值分析结果提供了参考依据。     

城市地下变电站非线性地震反应分析

为研究城市地下变电站结构及其内部电气设备的动力特性及地震反应规律,以西安市快速轨道交通二号线张家堡地下变电站为工程背景,依据黏弹性人工边界理论及有限单元法,建立考虑土体-结构-设备动力相互作用的三维有限元计算模型,首先通过半空间自由场模型验证了地震动输入方法的有效性,继而开展地下变电站系统的模态分析和动力时程分析,得到了该类结构的动力特性及地震响应规律。研究结果表明,结构上覆土体及电气设备在地震作用下产生的惯性力是结构构件应力增长的主要原因,8度罕遇地震作用下地下变电站内电气设备的加速度放大系数明显超出规范要求,需要采取相应保护措施。     

三维层状黏弹性半空间中球面SH、P和SV波源自由场

采用刚度矩阵方法结合Hankel积分变换,求解了层状黏弹性半空间中球面SH、P和SV波的自由波场.首先,在柱坐标系下建立层状黏弹性半空间的反轴对称(柱面SH波)和轴对称(柱面P-SV波)情况精确动力刚度矩阵.进而由Hankel变换将空间域内的球面波展开为波数域内柱面波的叠加,然后将球面波源所在层的上下端面固定,求得固定层内的动力响应和固定端面反力,将固端反力反向施加到层状黏弹性半空间上,采用直接刚度法求得固端反力的动力响应,叠加固定层内和固端反力动力响应,求得波数域内球面波源动力响应.最后由Hankel积分逆变换求得频率-空间域内球面波源自由场,时域结果由傅里叶逆变换求得.文中验证了方法的正确性,并以均匀半空间和基岩上单一土层中球面SH、P和SV波为例分别在频域和时域内进行了数值计算分析.研究表明基岩上单一土层中球面波自由场与均匀半空间情况有着本质差异;基岩上单一土层中球面波位移频谱峰值频率与场地固有频率相对应,基岩面的存在使得基岩上单一土层地表点的位移时程非常复杂,振动持续时间明显增长;阻尼的增大显著降低了动力响应的峰值,同时也显著减少了波在土层的往复次数.     

基于UPFs的粘弹性人工边界单元及地震动输入方法研究

基于粘弹性人工边界相关理论和地震动输入方法的有关理论,推导并建立了既具有粘弹性人工边界特性,同时可以将地震动转化为施加在人工边界上等效荷载的三维粘弹性人工边界,并利用二次开发工具UPFs将其成功地嵌入至通用有限元分析软件ANSYS中。通过Lamb表面源问题以及内源问题对上述二次开发单元进行了验证。算例表明,该单元可以很好地对无限地基辐射阻尼进行模拟。随后通过对自由场波动输入问题的验证,表明该单元可以实现在有限元单元级别上准确有效地施加地震动等效荷载。与传统的粘弹性边界施加方式相比,该单元有着更简单的使用性以及更强的操作性,同时又不增加计算模型的规模等优势,因而计算效率更高。同时,结合通用有限元分析软件ANSYS强大的建模和计算分析能力,使粘弹性边界有着更广泛的应用,并可适用于各种结构-地基动力相互作用问题的分析。     

深厚覆盖层上心墙堆石坝强震动力响应分析

土石坝由于施工便捷、取材方便,是目前我国西部比较常见的一种坝型。但西部地区地震活动频繁且烈度较高,特别是一些土石坝坝基下存在深厚覆盖层,对土石坝的地震动力响应有重要影响。采用黏弹性模型-等效线性化方法对国内某拟建土石坝进行三维动力响应分析。考虑到实际土石坝坝体是不完全排水的,将根据经验公式得到的残余体变分成两部分,一部分转化为残余孔压,另一部分为产生的残余变形。根据有限元计算结果,分析在坝基深厚覆盖层影响下坝体残余变形、加速度响应、残余孔压等动力反应的特征和分布规律。计算结果符合一般规律,说明本文采用的计算方法适用于含深厚覆盖层心墙堆石坝的静动力分析。     

基于黏弹性边界的P波斜入射波场分解方法精度比较

黏弹性人工边界以其概念清晰,稳定性高,精度良好的优点,在地下结构抗震的研究中已经得到了较为广泛的应用。在使用黏弹性边界进行地震动的输入时,需要把地震波转化为模型网格节点上的等效节点力,这个过程就要涉及到波场分解的问题。波场分解的方式可以不同,但不同的波场分解方式会得出精度不同的计算结果,而学界目前尚未就此达成一致。本文在前人研究的基础上,总结了3种地震波斜入射的波场分解方法,编制了相应的Python脚本来实现黏弹性边界和等效节点力的批量施加,并且以不同角度的地震波斜入射为例在同一有限元模型中计算以进行比较研究。结果表明计算精度与波场分解的方式密切相关:在模型边界上考虑的自由场波动叠加越完整,计算结果越精确。     

分析土和结构相互作用的一种实用耦合方法

提出一种新的数值解与解析解耦合的理论和计算方法,研究土-结构相互作用(SSI)体系的地震动力响应。采用大型有限元软件OpenSees模拟复杂结构的非线性行为,用等效线弹性频域内解析解模拟地基土的行为,使用时域离散递归方法将频域内的解析解转化到时域内,再通过子结构边界上力和位移的协调条件来求解。二者之间的耦合和实时数据交流通过CS集成方法来实现。以一个单自由度算例和一个实际工程为例,验证此方法的精度、稳定性和工程实用性,对比在考虑和不考虑SSI体系情况下结构动力响应的区别。本文所提的耦合SSI计算方法和部分研究成果可为工程设计人员提供参考。     

桩头侧向集中荷载作用下桩—土系统的非线性动力性能分析

在对侧向动荷作用下桩－土相互作用系统的数值模拟方法进行了评述之后，一个三维显式有限元模型被用来描述桩－土系统，以分析其在施加于桩头的侧向脉冲式动载作用下的非线性动力性能，其中混凝土桩被考虑为线弹性材料，而桩周土体被模拟为一种可进入破坏状态的弹塑性材料，同时滑移界面单元被用来模拟桩、土间的滑移和分离。计算结果表明，桩－土系统的侧向动力性能由桩头的约束条件和地表以下一定深度内的系统上部的性能参数所控制     

流体饱和多孔介质黏弹性动力人工边界

基于Biot流体饱和多孔介质本构方程，采用平面波和远场散射波经验叠加来反映外行波传播，以经验参数反映人工边界外行波动的衰减和多角度透射特性。在人工边界处分别施加反映固相和液相介质传播效应的弹簧及阻尼来模拟人工边界以外的无限域介质对来自有限域的外行波的能量的吸收作用。从而形成一种流体饱和多孔介质的黏弹性动力人工边界。数值算例表明：边界的精度和稳定性高于现有的黏性边界、黏弹性人工边界及一阶透射边界。