上覆非饱和层地基-隧道动力响应半解析算法

分别采用非饱和土波动方程与壳的振动方程描述地基土的波动及隧道衬砌的振动特性。基于Helmholtz矢量分解定理与分离变量法,获得包含柱面波与平面波的总场表达式。利用波函数转换性质进行不同界面处平面波与柱面波的转化,结合地表边界、土层交界面以及隧?土交界面等边界假设进行耦合求解,提出了上覆非饱和层的饱和地基?隧道系统动力响应半解析算法。通过既有模型对比,验证了该算法的正确性。最后,基于该方法进行了算例分析,结果表明：上覆非饱和层对隧道底部土体位移响应影响较小,对地表位移响应影响较大;而临界速度受上覆土层饱和度的影响较小,其主要受隧道穿越土层性质的影响。     

基于改进壳-柱模型的盾构隧道饱和地基动应力解

针对现有壳-柱模型无法考虑盾构隧道壁后注浆层的问题,分别采用无限长的双层圆柱壳模拟盾构隧道衬砌和壁后注浆层,中空圆土柱模拟饱和地基,基于Flügge圆柱壳理论和Biot波动理论,结合边界条件,求解隧道内作用固定简谐荷载时饱和地基中的动应力,并分析其分布规律及注浆层对土体动应力的影响.结果表明:隧道注浆层底部土体径向正应力τrr和孔压Pf幅值随着与荷载的轴向距离增大而减小,剪应力τrz随距离增加先增大后减小,至3 D(隧道直径)时地基动应力接近于0;土体的渗透性越差,径向正应力和孔压幅值越大,但当土体渗透系数k小于10-5 m·s-1时,渗透系数的进一步减小对地基动应力幅值的影响不大;隧道壁后注浆层能减小土体径向正应力和孔压(约5%~8%);注浆层下方同一点土体径向正应力和孔压幅值均随着注浆层厚度增加而线性减小;而注浆层的弹性模量在一定范围内(50~650MPa)变化时对其几乎无影响.     

含局部预应力的圆柱壳结构声辐射特性分析

以圆柱壳结构-声辐射特性为研究对象,分析了局部预应力对结构动力学特性的影响.基于Flügge圆柱壳薄壳理论,建立了含局部预应力的圆柱壳结构应力-应变方程,应用变分原理推导了含局部预应力的圆柱壳结构动力响应方程.结合结构有限元和声边界元法,对圆柱壳结构的声辐射问题进行数值分析,对比了预应力对声辐射功率和声指向性的影响.结果表明,由于局部预应力的存在,使得结构的局部和总体刚度都发生变化,并引起结构声振特性的变化.     

非饱和土半空间表面在垂直集中力作用下的Lamb问题

以多孔介质混合物理论为基础,同时引入土体双变量本构关系,得到了非饱和土中的一组动力控制方程。利用Hankel积分变换方法,直接对频域内的波动方程进行求解,得到了轴对称情况下土体骨架位移及应力分量在变换域内的解。在此基础上研究了非饱和土半空间体在垂直集中力作用下的动力响应,给出了Lamb问题积分形式解。当不计土中水、气的存在时,上述结果退化到单相弹性半空间中的经典Lamb解。通过数值计算分析,进一步研究了各物理参数对地基动力响应的影响规律。     

带框架肋骨圆柱壳振动特性分析

基于Flügge壳体理论,采用波动法建立带框架肋骨加筋圆柱壳数学模型,对其自由振动特性和频响特性进行研究.相比于传统的采用梁模型或平摊法处理环肋,采用圆环板模型研究任意尺寸的环肋.根据肋骨、激励力位置对圆柱壳离散并将激励力作为边界条件处理,对离散子构件运用不同理论分析后通过连续条件组装所有子构件得到运动方程.与有限元结果对比验证本文方法的正确性,在此基础上分析不同惯性矩的框架肋骨对圆柱壳振动特性影响.结果表明:框架肋骨惯性矩高于普通肋骨2倍便影响圆柱壳振动特性,高于512倍时则与舱壁作用相同.     

环肋柱壳在流场中的稳态动力响应

采用Flgge壳体理论和正交异性方法,研究了密加肋圆柱壳在深水流场中受到简谐干扰力和力矩激励时的稳态动力响应特性,并对一实际的环肋柱壳进行了数值计算,得出了一些有意义的结论.     

水下周期环肋圆柱壳声辐射的空间简谐分析

采用空间简谐分析方法对水下无限长周期环肋圆柱壳受周向余弦分布简谐力振动的辐射声功率进行了解析计算.分别采用Flügge方程和Helmholtz方程建立壳体及声场的波运动方程,考虑肋骨的四种作用力和力矩,探讨了环肋及环肋参数对壳体表面辐射声功率级的影响,发现肋骨在较低和较高频段对声辐射有较好抑制作用,在环频率附近影响不明显.分析结果适用于整个频段,可为此类结构的工程设计提供参考.     

黏性流场中圆柱壳结构的振动能量流输入特性

以周向分布线力作用下,浸没在黏性流场中的无限长弹性薄圆柱壳为研究对象,分析流体黏性对黏性流场-圆柱壳耦合系统的振动能量流输入的影响规律,考虑周向分布线力作用下,薄圆柱壳壳体与由有黏、可压缩流体组成的流场之间的相互作用.首先采用Flügge薄壳理论分析壳体结构振动,然后把线性化的连续性方程、线性处理后的纳维-斯托克斯方程和小振幅波动下的状态方程结合起来得到了黏性流场中的声波波动方程,进而根据声场与圆柱壳外表面的运动协调条件推导得到耦合系统的声振耦合方程,提出了相应的数值计算方法,并与理想流体中的特性作了对比,研究了流体黏性对黏性流场-圆柱壳耦合系统的振动能量流输入的影响规律,为水下结构的减震降噪提供理论依据.     

静水压力下功能梯度圆柱壳振动响应研究

基于功能梯度材料和均匀材料的物理性质和力学行为相似性,利用经典Flügge壳体理论,建立了静水压力下功能梯度材料(FGM)圆柱壳固有频率解与均匀材料圆柱壳解之间的解析转换关系,实现了FGM圆柱壳力学行为均匀化转换计算。考虑流体影响,采用波动法推导水下FGM圆柱壳耦合系统的振动方程,将数值算例与已有文献结果进行比较,证明了本文方法的正确性与准确性。讨论了FGM圆柱壳的材料组分、尺寸参数和不同边界条件对静水压力下固有频率的影响,并对计算效率进行了分析。本文研究与已有计算方法比较,在保证计算精度基础上,省略了偏微分及复杂边界条件计算,应用的便利性与计算效率有很大提高。     

垂直集中表面荷载作用下非饱和土半空间中的Lamb问题

以多孔介质混合物理论为基础,同时引入土体双变量本构关系,得到了非饱和土中的一组动力控制方程.利用Hankel积分变换方法,对频域内的轴对称问题进行了求解.在此基础上研究了非饱和土半空间体在垂直集中力作用下的动力响应,给出了Lamb问题的积分形式解.当不计土中水、气的存在时,上述结果退化到单相弹性半空间中的经典Lamb解.数值计算结果表明:激振频率、渗透系数对地表位移影响显著,随激振频率的升高或渗透系数的降低,近场地表位移幅值减小,但当渗透系数低于一定值时,地表位移基本不再随其变化;饱和度对地表位移的直接影响是饱和度升高时,地表位移幅值略有减小.     

隧道在纵向地震作用下的动力响应分析

为了探讨盾构隧道结构在纵向地震动力作用下盾构管片的振动特性。通过将土-结构相互作用简化为等效刚度弹簧建立了模型,并推导了结构在地震作用下的运动方程。然后利用中心差分法求解所得到的运动方程,求得每段管片在不同时刻的位移。进一步研究了土-结构剪切系数、地震纵波速度和结构连接刚度3个因素对隧道盾构管片位移的影响。计算结果表明,随着土-结构之间剪切系数增大,管片最大位移随之增加,结构之间的相对位移减小。而降低结构之间的连接刚度后,土-结构之间的相对位移减小。波的传播速度越小,结构与地层之间相对位移越大,易导致滑移现象出现。因此,选取具有较快波速的坚硬地层、提高土与结构之间的剪切力以及设置合理的抗震缝距离将有助于增加结构的抗震性能。     

地下隧道在内爆炸荷载作用下的动力响应分析

为解决内爆炸荷载作用下地下隧道的动力响应,在经典弹性理论的基础上,建立了圆柱壳在内部冲击爆炸荷载作用下的动力平衡方程,对爆炸荷载经过傅里叶展开以及对动力平衡方程的拉普拉斯变换,得到了内部冲击荷载作用下各向异性圆柱壳体动力反应问题的解析解。通过简化分析,得到了一种精度较高的简化计算方法。计算结果表明,对于圆柱壳内爆炸,挠度幅值在集中装药爆炸点的周围达到峰值;随着距该点距离的增加,挠度幅值减小,圆柱壳周围的土介质使振动产生较大幅度的衰减。计算结果可直接应用于圆柱形壳体和地铁隧道内部爆炸动力分析及地铁隧道内爆炸条件下冲击波的传播规律研究与计算。     

轴对称爆炸载荷作用下深埋圆形隧洞的准饱和土动力响应

考虑准饱和土与隧洞弹性衬砌的非完整连接, 基于Biot模型和弹性理论, 研究了深埋圆形隧洞的准饱和弹性土在轴对称爆炸载荷作用下的动力响应. 通过引入势函数和Laplace变换, 得到准饱和弹性土-弹性衬砌耦合系统在Laplace变换空间中动力响应的解析解; 借助Laplace逆变换的数值Crump法, 得到了耦合系统的时程响应; 分析了不同隧洞模型下准饱和土的动力响应. 结果表明: 准饱和土-壳体衬砌系统模型的土体响应最小, 而无隧洞衬砌准饱和土模型的土体响应最大; 饱和度对土体位移和应力影响较小, 但对孔隙水压力有较为显著的影响; 且随着接触面刚度的增大, 准饱和土体的径向位移和环向应力幅值均增大.     

基于相对自由度壳的非线性动态分析

为了简便有效地解决板壳结构的大变形问题 ,针对16节点相对自由度壳单元进行研究。该单元的位移场由壳的中面节点位移和上表面节点的相对位移组成 ,不带有转动变量。所有的研究都是基于完全的三维位移、应力、应变场。利用 Hu- Washinzu变分原理 ,采用拟应变法 ,对应变场另行假设 ,能够改善该单元在大变形情况下的计算精度。通过引入 Wilson非协调模式 ,构造了大变形情况下的拟应变场表达式 ,给出了该单元用于解决非线性动力分析问题的有限元求解方程。算例表明 :该文针对相对自由度壳单元提出的方法及推导的公式 ,能够解决壳的弹塑性大变形动力分析问题     

城市地下管廊结构地震动力响应分析

地震安全问题是城市地下管廊设计中不得不考虑的部分.先使用反应位移法计算地震时管廊结构的内力,得出管廊薄弱部位.接着使用动力时程方法分析管廊的地震响应,建立土体与结构数值模型,在模型底部输入水平地震作用.采用土-结构界面接触单元,重点考虑土与结构之间的相互作用,得出结构与土之间的分离与滑移情况以及管廊在水平地震作用下的位移变形和应力分布.结果发现:地下管廊标准段结构在水平地震作用下发生明显的侧向位移,容易发生弯剪破坏,而水平方向未发生明显位移;管廊结构地震破坏时的薄弱环节在顶板、底板与侧墙的连接部位以及中隔墙的墙端,在抗震设计中需采取加固措施.     

Stable response of axisymmetric two-phase water-saturated soil

Biot's dynamic consolidation equations and Hankel transform were used to derive the integral solutions of stress and displacement for axisymmetric harmonic excitations in the two-phase saturated soil with subjacent rock-stratum. The influence of the coefficient of permeability and loading frequency on the soil displacement at the ground surface were studied. The results showed that higher loading frequency led to more dynamic characteristics; and that the effect of the soil permeability was more obvious at higher frequencies.     

考虑流固耦合的变截面圆柱壳钢塔风振分析

为了明确变截面圆柱壳钢塔的风振响应规律,基于流固耦合理论建立有限元计算模型,采用自回归模型(autoregressive model, AR)法对不同重现期基本风压对应的脉动风速进行了模拟,成功利用数值风洞方法计算了变截面圆柱壳钢塔在脉动风作用下的动力响应,并通过现场风振监测对数值结果的可靠性进行了验证。结果表明：在脉动风作用下,位移响应幅值沿着高度方向逐渐增大,风速越大,结构的位移响应越大,其中50年与100年重现期风速作用下结构响应差别较小,总体上没有超过结构的位移限值。应力沿高度方向逐渐减小,且在变截面位置存在应力突变的现象。风速越大,应力越大,沿着高度方向应力的差别越来越小,其中50年与100年重现期风速作用下超过脱硫塔在工作温度下的材料许用应力值(113 MPa)。因此,对于该类钢塔的抗风性能评估,底部和变截面处以应力控制为主,顶部以位移控制为主。     

轨道交通隧道基底刚度对共建结构的振动影响分析

为了探明建筑物与轨道交通隧道共建时隧道基底刚度对系统振动的影响,建立列车-轨道-隧道-土层-建筑物系统耦合振动模型,列车-轨道动力学模型和隧道-土层-建筑物有限元模型通过扣件力进行参数传递,对隧道基底土层加固为不同刚度时隧道结构以及建筑物结构振动位移、速度、加速度响应进行了时程分析、频谱分析和振级分析等.结果表明:隧道基底刚度越大,其下沉位移越小,隧道结构振动速度突变越大且振动速度的周期性越不明显,但振动位移的振幅变化与隧道基底刚度没有严格的相关性;隧道基底刚度对隧道振动加速度影响的主要频率为1~5Hz的低频部分;隧道基底刚度对于建筑物结构振动有较大影响,主要集中于低频范围,影响幅度可达10dB.     

复合交通荷载下叠合式公轨合建隧道动力响应

叠合式公轨合建隧道不同于其他公轨合建隧道,汽车-列车荷载作用下其动力响应也有所不同。为研究复合交通荷载下叠合式公轨合建隧道动力响应,用激振力法、元胞自动机、汽车动力模型模拟列车荷载、车流和汽车荷载,用有限元软件Plaxis3D分析了不同荷载及有无垫层工况下隧道的动力响应。结果表明：公路隧道、铁路隧道分别主要对汽车荷载、列车荷载产生加速度响应,铁路隧道的加速度响应要明显大于公路隧道,约为后者的20倍;隧道不同位置处,对两种交通荷载的应力响应情况不同,铁路隧道应力响应主要受列车荷载控制,但当公路隧道中有大型车辆通过时,会对铁路隧道应力响应产生较大影响,甚至起到主导作用;公路、铁路隧道之间设置垫层会增大公路隧道的动力响应,但同时会减小公路隧道下方土层的刚度差异进而减小其应力值,综合作用下,设置垫层后公路隧道的应力状态会有所改善。     

可变形体离散元模型

为解决岩土工程中的大变形和不连续问题，根据变形体动力学和离散元法的基本原理，建立了适用于可变形体的单元模型．采用弹塑性边-边接触模型及动态松弛法，推导出相应的理论公式并编制了计算程序．通过选取适当的计算参数对典型算例进行分析计算；得到了静力平面问题的应力、位移分布及静态解的收敛过程；验证了计算程序和计算参数选取的正确性；证明了该方法用于岩土工程静力计算的可行性．