半无限土体圆形隧道结构中地震波的传播

基于弹性波的散射理论,研究了半无限土体内圆形隧道中土体对SH波的多重散射和动应力集中,采用波函数展开法和镜像法,将待解问题归结为一组无穷代数方程组的求解,得到了问题的解析解.作为算例,给出了衬砌附近动应力集中因子的数值解,分析了围岩的剪切模量、入射波波数、半无限土体边界到衬砌的距离等参数对动应力集中因子的影响.数值计算分析表明:围岩的剪切模量、入射波波数等是影响动应力集中因子的重要因素.本文的研究方法和数值结果有望为衬砌的地震评价提供理论依据.     

半无限土体圆形隧道结构中地震波的传播

基于弹性波的散射理论,研究了半无限土体内圆形隧道中土体对SH波的多重散射和动应力集中,采用波函数展开法和镜像法,将待解问题归结为一组无穷代数方程组的求解,得到了问题的解析解.作为算例,给出了衬砌附近动应力集中因子的数值解,分析了围岩的剪切模量、入射波波数、半无限土体边界到衬砌的距离等参数对动应力集中因子的影响.数值计算分析表明:围岩的剪切模量、入射波波数等是影响动应力集中因子的重要因素.本文的研究方法和数值结果有望为衬砌的地震评价提供理论依据.     

含衬砌孔洞的凸起的垂直入射SH波的动力分析

采用复变函数法，求解半无限空间中含圆形衬砌孔洞的半圆形凸起对稳态SH波的散射问题，给出在一定边界条件下的SH波散射的动力分析的解析方法．利用介质与衬砌结构在交界处应力、位移的连续性，构造一个可以自动满足凸起边界上应力边界条件的圆域对SH波散射的波函数．再利用波函数将圆域与半圆形凹陷半空间的“公共边界”进行“契合”，并对该问题进行求解．给出了当稳态SH波垂直入射时2种无量纲参数下的算例分析，讨论了波数与衬砌厚度变化对动应力集中的影响．介质和衬砌内动应力集中系数随孔径、衬砌厚度、波数变化而变化，且与衬砌性质有关．     

大圆孔直杆受轴向冲击动应力集中系数的研究

通过电测应力分析和动力边界元数值计算研究了大圆孔直杆受轴向冲击时的动应力集中系数,两者符合得较好,并得到了动应力集中系数大于静应力集中系数的结论。     

半空间中裂纹边缘界面圆孔对SH波的散射

研究界面波动力学对保障结构安全具有重要工程意义.应用“剖分-契合”法和“裂纹切割”技术,研究半空间双相介质界面上同时嵌有圆孔和裂纹时SH波对圆孔的动力作用.利用“镜像法”,将半空间的水平界面问题变换为全空间的水平界面问题,构造出能自动满足半空间自由表面边界条件的散射波;由保障水平界面应力位移连续的“剖分-契合”条件,导出求解该问题的定解积分方程组;对界面圆孔边的动应力集中情况进行讨论分析.结果表明:工程应用中必须考虑自由边界、裂纹长度、介质材料参数和入射波数等对孔边动应力集中程度的综合影响.应该避免较大的波数比、较高的入射波波数、较长的裂纹长度与垂直入射的同时出现,这对降低孔边的动应力集中系数效果明显,对减轻结构动力效应具有一定的工程价值.     

地下圆形衬砌洞室在平面P波和SV波入射下动应力集中问题的级数解

利用Fourier-Bessel级数展开法，研究了平面P波和SV波入射情况下，圆形衬砌洞室的动应力集中问题，并给出了其级数解．数值结果表明。衬砌刚度对动应力集中系数具有重要影响，刚性衬砌、无衬砌和柔性衬砌三种情况的动应力集中系数在空间上的分布相同，但刚性衬砌情况的动应力集中系数最大，无衬砌情况次之，柔性衬砌情况最小；随着入射频率的增大，动应力集中系数的空间变化由简单逐渐变得复杂，动应力集中系数在多数情况下逐渐减小；波入射角度对动应力集中系数也有很大影响．     

平面SH波入射下深埋圆形组合衬砌洞室的动力反应分析

利用波函数展开法,研究平面SH波入射下,深埋圆形组合衬砌洞室的动力反应问题.利用得到的级数解和数学应用软件MathCAD编写计算机程序,讨论了入射波频率、组合衬砌结构的厚度比、弹性模量、泊松比、密度等因素对围岩和衬砌结构动应力集中系数的影响.结果表明组合衬砌确实能有效地发挥围岩的自承能力,降低衬砌结构的动应力集中,且在低频入射时效果显著.     

地下衬砌洞室群在平面SV波入射下的动应力分析

采用波函数展开法给出了半空间中衬砌洞室群在平面SV波入射下动应力集中问题的一个级数解析解,在满足一定的精度要求下,对无穷级数进行截断数值计算,衬砌分为刚性衬砌、无衬砌、柔性衬砌三种,计算结果表明:洞室问距对动应力集中系数具有重要影响,当洞室之间距离较近时,洞室之间的相互作用对地下洞室群的动应力集中具有显著的放大作用,动应力集中系数可能达到单个洞室的2倍以上;衬砌刚度对动应力集中问题也具有显著的影响,其中,刚性衬砌的动应力集中系数最大,无衬砌次之,柔性衬砌最小;随着入射波频率的增大,动应力集中系数的空间分布逐渐趋于复杂化.     

含有直线裂纹的直角域中椭圆形夹杂对SH波的散射

利用Green函数法、复变函数法及保角映射技术研究了SH波作用下直角域中直线裂纹对椭圆形夹杂动应力集中系数的影响.采用保角映射法和镜像叠加原理构造了一个能自动满足直角平面两个直线边界应力自由边界条件的散射位移场,并取含有椭圆形夹杂的直角域中任意一点承受时间谐和的出平面线源载荷作用下的位移基本解作为适合的Green函数.利用裂纹"切割"技术构造直线裂纹,进而得出裂纹与椭圆形夹杂共存时的位移场和应力场.通过具体算例讨论了入射波数、裂纹角度、裂纹长度等因素对椭圆形夹杂周边动应力集中系数的影响.     

含孔复合材料层合板的孔边应力分析及孔形优化

应用各向异性弹性理论以及保角变换方法,将不同孔形参数化,并统一映射在一个表达式中,求解出在单轴拉伸载荷作用下,含圆形孔、正方形孔、三角形孔复合材料层合板的孔边应力,并对具有不同曲率的孔形的应力集中系数进行了讨论.研究结果表明:不同孔形所产生的应力集中有很大差异,其中圆形孔的应力集中最小,但在一定范围内,三角形的重力集中小于圆孔.最后以孔边最大应力最小化为目标优化孔的形状,得出可以用于结构中的应力集中较小的孔形.     

考虑围岩和衬砌保角映射差异的深埋非圆形隧道力学解析

非圆形隧道围岩和衬砌区域的保角映射函数不同,接触面边界上不同区域的同一点位在映射后的位置差异较大。因此,在求解非圆形隧道的力学解析表达式时,有必要考虑该映射差异。首先,引入基于边界积分的保角映射理论,编制了以多段圆弧为边界的有限双连通域和无限双连通域的保角映射程序;其次,考虑到围岩和衬砌保角映射差异,提出多点逼近的应力函数求解方法,并采用LSQR算法计算应力函数系数的最小二乘解,以满足隧道临空面边界和接触面边界上位移和应力条件;最后,通过多心圆隧道的算例,开展验证和分析。研究结果表明：所求围岩和衬砌保角映射函数具有良好的保角性和保圆性;随着应力函数项数增加,在边界上的应力误差和位移误差显著降低;当侧压力系数为0.50时,多心圆隧道洞周收敛变形的差异显著,拱顶和拱底变形远高于拱脚位置的变形,在衬砌拱脚位置所受围岩压力和切向力最大,并出现显著的应力集中现象;衬砌内外边界上应力和位移的解析解与数值解十分接近,验证了本文所提力学解析方法的正确性。     

深埋圆形隧洞饱和土-衬砌简谐振动的解析解

在频率域研究深埋圆形隧洞饱和粘弹性土体-衬砌系统耦合简谐振动的动力学特性.根据弹性理论和饱和多孔介质理论,分别得到衬砌和饱和粘弹性土体的稳态动力响应;通过衬砌边界条件以及衬砌与饱和土界面的连续性条件,得到衬砌边界均布简谐载荷作用下饱和土-衬砌系统稳态振动时的位移、应力和孔隙水压力等的解析表达式.考察物理和几何参数对系统动力学特性的影响.研究结果表明：孔隙水的渗透性对系统动力特性影响显著,不透水情形下系统响应远大于透水情形下的响应,且不透水情形下,衬砌厚度对系统响应具有显著影响.然而,土骨架与孔隙水相互作用系数和土体泊松比等对系统响应影响很弱.     

含圆孔有限八次对称二维准晶的边界元分析

利用推广的Stroh方法，得到含有圆孔无限八次对称二维准晶材料的格林函数。进一步采用半解析半数值的边界元方法，获得在均匀边界加载作用下，有限八次对称二维准晶体内的圆形孔口所引起的应力解答，并分析半径尺寸以及不同加载情况对圆孔边应力的影响。     

基本解方法中含圆孔多连域的基本解函数重构与应用

基于镜像技术,通过在圆形孔内外镜像点布置单位正源或负源,重新构造了满足圆孔内边界上的两类边界(Dirichlet,Neumann)的基本解函数.进一步将重构的基本解函数应用于含圆孔有限多连域调和方程边界值问题的基本解方法的计算.研究表明,通过应用重构的基本解函数,无需考虑圆孔内边界,极大减少了输入数据,计算效率得到较大提高,最大限度提高数值解精度.     

弹性直角域中半圆形凹陷的SH波散射的稳态解

按照波函数展开法和镜像方法,分析了直角域中半圆形凹陷对平面SH波的弹性动力学反平面稳态响应,得到了弹性波的位移场和应力场的具体形式.根据Hankel函数在宗量零点的渐近性讨论了波函数级数的收敛性;根据Hankel函数在宗量无穷远点的渐近性和Graf加法公式构造了圆柱散射波的远场位移模式.数值算例分别计算了代表计算误差的凹陷边沿的径向动应力集中因子、周向动应力集中因子和平面波应力场的动应力集中因子以及凹陷散射波的远场位移模式.结果表明,直角域中凹陷与竖直边界的距离很大程度地影响着SH波散射的稳态解.     

地下圆形衬砌洞室对SV及Rayleigh波的动应力集中(II):数值结果

为了解决在入射平面SV波和Rayleigh波作用下地下圆形衬砌洞室的动应力集中问题,利用文献[5]的级数解,分析了衬砌刚度、入射波长、入射角度诸因素对动应力集中系数(DSCF)的影响。数值结果表明:(1)衬砌刚度对DSCF有重要影响,柔性衬砌情况DSCF最小,刚性衬砌情况的最大;环向与轴向DSCF最大可分别达到32.31与16.12;(2)入射频率和入射角度对DSCF也有很大影响。     

部分边界受力情形下带裂纹的圆形孔口问题的解析研究

利用复变方法,通过构造保角映射,研究了圆孔带单裂纹且只在孔边受到均匀压力而裂纹面上不受力的部分边界受力的平面弹性问题,得到了复应力函数的精确表达式,并给出了应力场的解析表示,求得在裂纹尖端的应力强度因子的解析解.在极限情形下,还可以还原为圆孔带单裂纹孔边及裂纹上均受到均匀压力的已有结果.     

含圆孔有限厚度板的三维弹性应力场分析

通过三维有限元计算来研究含圆孔有限厚度板的圆孔边缘应力场,找出了应力集中系数与板的厚度、圆孔半径之间的关系,同时还分析了圆孔边缘的三维应力约束程度和三维应力约束区域的大小.研究结果表明:离面应力约束系数在板的中面最大,而在表面为0,三维应力约束影响区域的长度约为板厚的一半;应力集中系数沿厚度的分布是不均匀的,其最大值及位置与厚度有关;有限厚度板中面的应力集中系数及其最大值均大于平面应力或平面应变的应力集中系数;对含圆孔任意厚度板的应力集中问题,按平面应力或平面应变来考虑是不安全的;Sternberg等人对含圆孔任意厚度板的应力分布及应力集中系数的近似三维求解,仅适用于厚度较小的板,当板超过一定厚度时同样也是不安全的.     

半无限空间隧道应力与位移的解析延拓法求解

为快速得到单孔深埋任意形状隧道开挖产生的应力值与位移值,利用复变函数解法中的解析延拓法求解.由于是深埋隧道,假设隧道埋深与隧径相比比较大而不考虑重力梯度影响,直接把重力作用化为无限远处作用有外载,同时考虑隧道衬砌的支撑作用,利用复变函数的保角变换功能及解析延拓法,求出了在弹性半无限空间中,单孔任意形状隧道外任意一点的应力值和位移值的解析解表达式.以圆形隧道作为特例,求出隧道围岩任意一点处的应力值和位移值解析解的显式表达式,该解与已有的解答一致,表明新方法的准确性.该求解方法拓展了解析延拓法的应用,且可考虑隧道的任意形状及法向支撑力,结合MATALAB工具,可为工程快速求解开挖应力及稳定变形分析提供便捷的方法.     

平板中心圆孔边应力集中的有限元分析

应用ANSYS软件，对平板中心圆孔的应力集中进行了有限元分析，对圆孔平板在单向和双向应力条件下的应力状况进行了计算和分析，并将有限元结果与解析解进行比较。分析表明，在单向应力条件下，圆孔大小对平板圆孔的应力分布没有明显影响。