大直径管桩在瞬态集中荷载作用下的 振动响应时域解析解

大直径管桩在低应变检测中应力波的传播是一个三维波动问题。将桩周土、桩芯土和桩底土对桩的作用简化为文克尔弹簧,将激振力用半正弦脉冲模拟,建立了大直径管桩在瞬态集中荷载作用下的振动响应计算模型,采用分离变量法和常数变易法求得了波动方程的时域解表达式。将该时域解与采用数值傅立叶逆变换计算得到的时域响应进行了对比验证,进一步将时域解析解计算结果与试验值进行了对比,验证了其合理性。采用得到的时域解计算分析了桩顶速度时域响应特性,结果表明：入射波到达时间和结束时间与波的传播距离成正比,从0°点到180°点基本呈线性变化;激振点的入射波结束时间等于输入脉冲宽度,其余测点的入射波结束时间与入射波到达时间的差值与输入脉冲宽度相等;入射波峰值对应的时间在激振点最小,从0°点到135°点逐渐增大,在135°点到180°点之间基本保持不变。     

考虑竖向荷载影响的大直径管桩水平振动响应解析解

建立了黏弹性地基中受轴力作用的现浇大直径管桩水平振动响应计算模型,通过引入势函数对土体振动方程进行解耦,结合桩土耦合条件求得了桩顶复阻抗解析表达式。将该解退化到不考虑竖向荷载的水平振动响应解与已有理论解对比,验证了该解的合理性。通过算例分析,研究了竖向荷载、激振频率和桩长对管桩桩顶水平复阻抗、桩身位移和内力的影响,研究结果表明:复阻抗实部和虚部在桩土系统固有频率处均发生共振;竖向荷载使管桩位移和内力发生重分布,竖向荷载为零时,位移、弯矩和剪力最大值均出现于管桩中上部,随着竖向荷载增大,其最大值均出现于桩底;桩身水平位移随频率变化而变化,管桩中下部转角、弯矩和剪力受频率影响较大;桩身中下部位移和内力受桩长影响大于桩身其他部分;无桩芯土时桩顶水平位移和转角比桩芯土存在时大。     

移动荷载作用下加筋路堤和轨道系统的三维动力响应

用解析法研究了加筋路堤上轨道系统在移动荷载作用下的三维动力响应问题。基于Biot多孔弹性介质的波动理论,建立了加筋路堤轨道系统分析模型。将钢轨简化为无限长弹性Euler梁,将枕木简化为连续质量块,将加筋路堤作为一横观各向同性层来考虑,将下卧土体考虑为由Biot?ǘ匠堂枋龅谋ズ桶肟占洹Ａ⒐斓老低场⒓咏盥返毯拖挛酝撂宓亩Ψ匠蹋贔ourier变换域内求解荷载作用下钢轨位移和土体位移的表达式,将求得的表达式进行Fourier逆变换得到其在时域里的表达式。研究了列车移动速度、加筋路堤层的厚度、荷载幅值大小和加筋率等对路堤及轨道系统动力响应的影响。计算结果表明,钢轨竖向变形随着速度的增大呈现先增大后减小的趋势;加筋路堤上的钢轨竖向变形显著小于同厚度下未加筋路堤上的钢轨竖向变形;钢轨竖向变形随着荷载幅值的增大而增大;随着加筋率的增大而减小。     

移动条形荷载作用下弹性层状介质动应力解析解

采用Fourier积分变换与递推矩阵方法,依据平面问题的弹性动力微分方程、边界条件与层间连续条件,推导得到不同形式移动条形荷载作用下弹性层状介质动应力解析解。对不同移动速度和不同荷载形式作用下弹性4层介质动应力分布规律进行了算例分析,结果表明:竖向或水平条形荷载单独作用下,移动速度对动应力的影响随着荷载移动速度越来越接近结构层最小剪切波速而不断增大,相关应力向量各分量随着深度增加而呈现为各自不同的变化特征;实际行车条件对应的移动竖向和水平条形荷载共同作用下,移动速度对动应力的影响和动应力竖向分布规律皆比移动竖向或水平条形荷载单独作用更为复杂。移动条形荷载作用下弹性层状介质动应力解析解可为各类型交通工具作用下层状介质动力响应特性分析提供理论支持。     

简谐移动荷载下轨道结构响应研究

为了分析简谐移动荷载所导致的粘弹性地基上无限长轨道的振动传播现象,在随荷载移动的动态坐标系下联立轨道的横向振动微分方程,引入边界条件得到瞬态响应的解析表达式,分析梁在不同激振频率和运行速度作用下的轨道结构瞬态反应。结果表明:轨道结构存在临界速度。如果荷载运行速度小于最小临界速度,那么振动只在移动荷载处出现。如果荷载运行速度处于非零最小临界速度附近,轨道结构运动剧烈。如果荷载速度超过最小临界速度时,振动则可以波及整个结构。     

多跨连续曲线梁在移动荷载下的动力响应

在对多跨曲线梁在移动荷载下动力响应的控制微分方程进行无量纲化处理、转换后,采用Ｒａｌｅｉｇｈ－Ｒｉｔｚ法对无量纲化方程进行解耦简化,得到以广义挠度和广义扭转角为未知量的运动微分方程。采用Ｍａｔｈｅｍａｔ－ｉｃａ ３．０软件对所得到的方程进行求解,首次得到此问题的理论解。计算结果与试验结果比较证明此方法正确、可靠。     

行波效应下曲线隧道动力响应解析解

隧道曲率变化段是制约隧道结构抗震安全性的关键控制区段,但目前隧道抗震设计仅以横断面剪切变形为主,未考虑隧道沿纵向的曲率半径变化,缺乏针对曲线隧道的纵向抗震简化分析方法。将曲线隧道沿纵向简化为作用在黏弹性地基上的变曲率有限长均质Euler-Bernoulli梁,基于Hamilton原理及黏弹性地基梁理论建立了结构的微分动力控制方程及边界条件,并通过模态叠加法进行求解,推导出任意动载作用下曲线隧道的位移、速度、加速度、弯矩、剪力等动力响应的解析表达式,以行波荷载为例,给出行波效应下曲线隧道动力响应的退化解答。通过与有限元基准模型在相同条件下的对比分析,验证了所推导解析解的正确性。最后应用该解析公式进行参数敏感性分析,揭示了隧道曲率半径、行波波速、行波频率及地层–结构相对刚度比等关键因素对曲线隧道结构动力响应的影响规律。     

行波效应下曲线隧道动力响应解析解

隧道曲率变化段是制约隧道结构抗震安全性的关键控制区段,但目前隧道抗震设计仅以横断面剪切变形为主,未考虑隧道沿纵向的曲率半径变化,缺乏针对曲线隧道的纵向抗震简化分析方法.将曲线隧道沿纵向简化为作用在黏弹性地基上的变曲率有限长均质Euler-Bernoulli梁,基于Hamilton原理及黏弹性地基梁理论建立了结构的微分动...     

移动荷载作用下横观各向同性层状地基–薄板结构动力响应半解析研究

为研究各向异性和动载参数对层状地基–薄板结构动力响应的影响规律,在已有各向异性弹性动力学理论的基础上,利用积分变换及矩阵分析理论,获得移动矩形简谐荷载作用下横观各向同性层状地基–薄板(无限大)结构的稳态动力响应半解析解答.通过对比既有算例所得结果,验证半解析解的准确性,进而对板体位移动力响应进行参数分析.结果表明:各向...     

移动荷载作用下桥梁的动态响应

当汽车以一定的速度过桥时,由于受桥面的不平整、车辆自身各旋转部分的作用、对桥头引道与桥面凹凸等因素的影响,会引起车身的振动,并通过轮胎的传递从而引起桥跨结构的随机振动。本文采用有限元法分析法对在两种形式力(匀速移动常量力和匀速移动简谐力)的作用下简支梁桥的动态响应进行了研究。结果表明,除桥梁的静力分析外,还必须考虑桥梁在移动载荷作用下的动态响应。     

飞机荷载作用下非均匀道基动力响应分析

针对山区机场道基沿跑道方向挖填交替的特点,通过沿跑道横向Fourier变换,提出适用于飞机移动荷载作用下山区机场跑道动力响应分析的半解析有限单元法,导出相应的有限元列式,编制有限元分析程序,通过算例验证方法及程序的正确性。分析单轮荷载移动速度、机场道面结构形式以及挖填交替非均匀道基形式对道基土体动应力的影响。结果表明：道基土体动应力路径呈蛋形,各动应力分量的峰值小于单轮静压力的2%;随着荷载移动速度加快,土体动应力路径逆时针偏转,动应力峰值和影响深度明显增加;与刚性道面结构相比,柔性道面结构下土体动应力沿跑道纵向和横向衰减快,但动应力峰值和影响深度更大;挖填交替界面附近土体动应力集中,集中系数达约1.4。     

侧向荷载下剪力墙问题的解析解

剪力墙是高层建筑结构的主要抗侧力构件之一。本文利用结构的对称条件,采用半逆解法得到了自重和水平荷载作用下剪力墙结构的应力解析解,并较好地满足了边界条件,可供结构设计参考。     

移动恒载作用下轨道结构动态响应分析

随着我国地下铁路的蓬勃发展,移动列车引起的轨道结构振动问题受到广泛关注,针对移动荷载作用下的地下铁路轨道结构上的动态响应问题进行了研究,为地下铁路的设计和运营提供了一定的参考。将地下铁路简化为单层Euler-Bernoulli模型,并建立移动荷载作用下轨道系统动力学微分方程,通过傅里叶变换以及快速离散傅里叶逆变换[1]进行求解,分析荷载频率、扣件系统阻尼和刚度对单层梁的位移的影响。     

车辆动荷载作用下隔振沟响应增强区数值分析

基于动力学基本方程,运用有限单元法(FEM)和NEWMARK隐式积分方法,对车辆荷载(FWD荷载)作用下明沟隔振结构附近振动响应增强区的分布范围特征及其增强效应进行了弹塑性数值分析。考虑到人工截断边界上波反射对计算结果的影响,分别用传递边界和半无限单元来处理侧面和底面边界。文中主要考虑了隔振沟位置、隔振沟深度和宽度三个主要影响因素,并在计算结果的基础上分析总结了他们对隔振沟响应增强区的影响规律。     

水平动荷载作用下海洋大直径管桩动力响应解析解

考虑桩–土–流体耦合振动,研究了谐和激振水平动荷载作用下的海洋大直径管桩振动响应问题.将桩周和桩芯海水考虑为无黏性不可压缩流体建立其控制方程求得海水速度势解析表达式,继而得到作用于桩身动水压力表达式.将土体看作黏弹性介质建立桩周土和桩芯土控制方程,对土体方程直接解耦求解,得到桩周土和桩芯土位移和抗力表达式.利用桩–土体...     

Analytical solution for long lined tunnels subjected to travelling loads

An analytical solution is derived for dynamic response of long lined tunnels subjected to travelling loads. For the derivation, the long lined tunnel is assumed to be infinitely long with a uniform cross-section resting on a viscoelastic foundation. Fourier and Laplace transforms are utilized to simplify the governing equation of the tunnel to an algebraic equation, so that the solution can be conveniently obtained in the frequency domain. The convolution theorem is employed to convert the solution into the time domain. Final solutions of tunnel responses investigated are deflection, velocity, acceleration, bending moment, and shear force. The proposed solution is verified by providing comparisons between its results and those from the Finite Element program ABAQUS. Further parametric analysis, such as the influence of wave velocity and frequency on dynamic responses of the tunnel is presented with the analytical solution. These relationships can be an effective tool for practitioners.     

Dynamic analysis of functionally graded truncated conical shells subjected to asymmetric moving loads

The dynamic behavior of functionally graded (FG) truncated conical shells subjected to asymmetric internal ring-shaped moving loads is studied. The material properties are assumed to have continuous variations in the shell thickness direction. The equations of motion are derived based on the first-order shear deformation theory (FSDT) using Hamilton׳s principle. The finite element method (FEM) together with Newmark׳s time integration scheme is employed to discretize the equations of motion in the spatial and temporal domain, respectively. The formulation and method of solution are validated by studying their convergence behavior and carrying out the comparison studies in the limit cases with existing solutions in the literature. Then, the influences of material graded index, radius-to-length ratio, semi-vertex angle, thickness, boundary conditions and moving load velocity on the dynamic behavior of the FG truncated conical shells are studied. In addition, the difference between the responses of the FG shells under symmetric and asymmetric loadings is compared.     

地表移动荷载对既有地下隧洞动力影响解析研究

为获得地表移动荷载对地下隧洞的动力影响,首次给出了地表移动荷载作用下半空间隧洞动力响应解析解。地表移动荷载采用移动简谐荷载模拟,含隧洞半空间地基通过各向同性弹性介质模拟。基于弹性地基控制方程在直角坐标系和柱坐标系下基本解及平面与柱面波函数波形转换,结合地基表面和隧洞柱面施加边界条件,在频域中求得移动荷载下半空间弹性地基与隧洞解析解答,并结合快速Fourier逆变换求得隧洞时域动力响应。利用本解析模型,可计算获得地面移动荷载引起的地下隧洞振动影响,通过与已有研究对比,对本模型正确性进行验证。计算分析了不同荷载移动速度与隧洞埋深下,隧洞表面位移、加速度和地基中动应力响应。研究表明,随着荷载移动速度增加,隧道拱顶地基中动应力与振动加速度均显著增加。地基中动应力随隧道埋深增加迅速衰减,隧洞加速度随埋深衰减相对较慢,但当隧洞埋深超过某一临界深度时,隧洞振动可低于我国规范规定限值。在低速范围,隧洞临界深度随荷载速度线性增加,但当荷载速度超过一定值,隧洞临界深度随着荷载速度呈指数型增长。     

列车荷载作用下路轨系统及饱和弹性半空间上覆盖土层的动力响应

用解析法研究了移动列车荷载作用下下卧成层地基的路轨系统的动力响应问题。将整个系统分为上覆路轨系统和下卧土体。对于路轨系统,将钢轨简化为无限长弹性Euler梁,将枕木简化为连续质量块,同时考虑由Cosserat模型描述的道渣层。在实际工程中,地下水位往往位于地表以下几米处,因此将下卧土体考虑为成层土,其中,上层为弹性介质,下层为由Biot波动方程描述的饱和弹性半空间。在Fourier变换域内,联立铁路系统和下卧土体的动力方程,求解列车荷载作用下钢轨位移、加速度,土体位移、加速度,孔压表达式。利用数值积分方法对表达式进行Fourier逆变换,得到钢轨位移、加速度,土体位移、加速度,孔压在时域内的表达式。着重研究了弹性层厚度、密度、刚度和道渣层质量对钢轨动力响应的影响。计算结果表明,在低速情况下,这些参数对钢轨动力响应影响都很有限,但在高速情况下,这些参数对钢轨动力响应的影响都很大。     

热–力耦合作用下黏性土体积变形特性试验研究

采用温控三轴仪,对饱和黏性土在热–力耦合作用下的体积变形特性进行了研究。试验中共考虑了温度循环后的应力加卸载试验、升高或降低不同温度后的应力加卸载试验3种方案。结果表明,黏性土温度体积变形的大小与围压无关。温度循环会造成黏性土塑性体积变形持续发展,但单周塑性应变增量随温度循环周数的增加而减小,体现了温度历史的影响。将土样继续加载后,温度的历史效应将被覆盖,后续温度循环中产生的塑性体积应变量值及发展规律与初始循环下的类似。不同温度下土体的压缩指数和回弹指数基本不变。同一塑性体积应变下,屈服应力随温度的增加而减小。温度变化引起的塑性体积应变也会造成屈服应力提高,可近似采用与力学塑性体积应变硬化一致的规律进行描述。