土-结构动力相互作用几种计算模型的比较

针对目前在土-结构动力相互作用分析中基础常采用实体单元、结构采用梁单元,建模过程中经常遇到的基础和结构不同单元的连接问题,通过在基础表面添加刚臂连接单元的方法来模拟基础和结构的连接,并分析对比了实体单元、实体单元-刚臂-梁单元、实体单元-梁单元3种模型在考虑土-结构相互作用时的动力反应,计算结果显示:采用刚臂连接单元方法的计算结果精度与实体单元的相同,但计算效率高.     

大跨径钢管混凝土拱桥减震控制装置参数的研究

大跨度桥梁结构的减震控制研究对于桥梁结构的抗震安全具有重要意义。本文以主跨368m的茅草街大桥为研究对象,基于ANSYS建立了该桥的三维有限元模型,并采用子空间迭代法分析了该桥的动力特性。在此基础上进行了大跨度钢管混凝土拱桥的地震响应及减震控制研究,重点进行了弹性连接装置和粘滞阻尼器减震效果的参数敏感性分析,并对比分析了不同位置布设减震装置时的效果。结果表明,纵飘振型对该桥肋纵向相对位移的贡献最大;弹性连接装置和阻尼器均能有效减小地震作用下该桥的肋梁纵向相对位移;综合考虑各关键部位的地震响应时,同时采用两类减震装置并将其分散布置时的减震效果最佳。结论可供大跨度中承式钢管混凝土系杆拱桥的抗震设计参考。     

大连长山矮塔斜拉桥抗震性能三维数值分析

为进一步认识矮塔斜拉桥地震动力响应特性,以大连长山矮塔斜拉桥为具体工程背景,采用ADINA三维实体单元模拟桥梁结构与桩基,全面考虑预应力钢筋作用和桩土相互作用影响,通过建立全桥大规模三维动力分析数值模型,针对桥梁结构-桩基-地基相互作用体系分别进行了地震反应谱分析、弹性和弹塑性动力时程分析,并对桥梁结构体系抗震性能进行了系统评价,计算结果表明:桥梁体系关键控制截面抗震强度和变形均满足规范要求,主墩位置易发生较大塑性变形;对矮塔斜拉桥等特殊桥梁进行抗震设计时,宜进行考虑主墩结构弹塑性影响的控制截面变形校核。     

动水压力和PSI对深水高墩桥梁抗震性能的影响∗

以我国西部地区某库区一深水高墩大跨连续刚构桥梁为工程背景,考虑动水压力、桩-土相互作用以及二者联合作用的影响,确定了六类不同的分析工况,利用OpenSEES源代码分析平台分别建立有限元模型,通过输入两组空间地震波进行非线性时程分析,讨论了动水压力和桩-土相互作用对深水高墩大跨桥梁动力特性和抗震性能的影响。研究结果表明,考虑动水压力和桩-土相互作用会降低高墩大跨桥梁的振动频率,且二者的影响主要体现在下部结构振型参与率较高的高阶模态;动水压力效应会增加高墩在地震作用下的动力响应,但桩-土相互作用对非线性分析结果的影响没有明显的规律;同时考虑动水压力和桩-土相互作用时,深水高墩桥梁的地震响应并不是简单的相互促进或相互抵消,而与地震动的大小、频谱特性等相关;强地震作用下桥梁结构的桩顶水平位移较大时,抗震设计中更适合采用"p—y曲线"法模拟桩-土相互作用效应。     

软岩地基下AP1000核电屏蔽厂房结构地震响应研究

以AP1000核电屏蔽厂房结构为研究对象,进行考虑土-结构相互作用的地震响应分析,探讨不同厚度和不同地表倾斜角度软岩场地对屏蔽厂房结构地震响应的影响。利用ABAQUS有限元软件建立了软岩层厚度分别为25、30、35、40m以及地表倾斜角度分别为0°、3°和6°的土-结构相互作用模型,实现了地震动输入。对计算所得楼层响应谱进行对比分析可知,软岩层较硬岩层对地震传播有一定的放大效应,软岩层厚度的增加会使峰值频率往低频方向移动;倾斜场地对楼层响应谱高频部分有一定的放大效应。该研究结果对软岩场地下核电厂抗震安全评价具有一定参考意义。     

高压输电塔线耦联体系风振响应有限元分析与现场实测对比研究

采用ANSYS软件建立了华东电网某500kV高压输电线路结构的三塔两线空间有限元模型,将线路实测的台风"韦帕"风速记录转换为风荷载,进行了该塔线耦联体系的非线性风振响应分析,有限元模型计算结果与现场实测加速度响应吻合较好,说明文中建立的高压输电线路结构的有限元模型是合理的,可以较为准确地分析塔线耦联体系的风振响应。在此基础上,研究了设计风速作用下塔线耦联体系的风振响应,并与规范拟静力响应作了比较。结果表明:在设计风速时,线路中输电塔主要受力构件的内力接近钢材的屈服强度设计值,有引发塔架破坏的可能。按现行输电线路结构设计规程设计的输电塔结构在设计风速作用时是偏于不安全的,输电线路结构设计时需要考虑塔线之间的耦合作用对输电塔动力响应的影响。     

基于层状土推覆方法的盾构隧道抗震性能分析

当前对于地铁盾构隧道进行抗震分析时多基于弹性假设的简化设计方法,难以体现土体和结构的非线性特征;而动力时程分析具有耗时长,工作量大,考虑因素多等缺点使其在工程设计中的广泛应用受到限制。地下结构静力推覆方法具有概念清晰,考虑土体与结构相互作用,相比动力方法耗时大大减少等优点。而自适应层状土推覆分析可以改善地下结构静力推覆法的地震荷载加载模式,使之在含软弱夹层的场地中同样具有较高的精度。通过建立二维的土体-结构相互作用模型,采用自适应层状土推覆分析法对实际的单线地铁盾构隧道横断面进行拟静力弹塑性分析。绘制了其抗震性能曲线并发现了相对薄弱处的位置,并与动力时程的分析结果进行了比较,证明该方法有良好的精度。同时采用该方法对地铁盾构隧道抗震响应做了参数分析,给出了管片混凝土标号和土体模量的改变对隧道薄弱点受力的影响。     

基于人体动力学模型钢楼梯振动舒适度及其控制研究

基于人体动力学模型研究钢楼梯人致振动舒适度问题,并利用TMD对其振动进行控制。采用移动质量-弹簧-阻尼的单自由度体系模拟人体动力学模型,将模型施加在钢楼梯有限元模型上,运用完全时程方法得到钢楼梯在人-结构动力相互作用下的动力响应,并对比分析不考虑人-结构动力相互作用时的动力响应,以峰值加速度为指标评估该楼梯的振动舒适度;对振动过大的钢楼梯,采用3种不同优化模型的TMD进行振动控制。结果表明:行人步频的倍频与结构自振频率相近时,考虑人-结构动力相互作用时结构加速度峰值多则会减小20%以上;3种不同优化模型的TMD都能够有效减小楼梯的振动响应,建议优先选用Warburton参数优化模型。     

软土地区地表结构对盾构隧道地震响应影响的风险分析

本文基于ABAQUS有限元软件建立了软土地区地表结构-土-隧道相互作用的非线性有限元模型,地表结构采用置于刚性筏板基础的单自由度体系模拟。考虑地表结构的有无,不同的土体模型及地震荷载,通过水平地震作用下的动力时程反应分析,研究了地表结构对盾构隧道周围土体以及衬砌地震响应的影响。研究表明,地表结构的存在会增大隧道周围土体地震响应,从而引起隧道结构变形以及动态内力的显著增加,同时发现采用弹塑性分析下的隧道地震响应大于采用黏弹性分析。因此,地表结构作用是影响盾构隧道响应的重要因素,综合分析地表结构-土-隧道作用下的结构动态响应有助于更合理的预测地震荷载下盾构隧道结构安全风险。     

考虑接头影响的综合管廊标准段地震响应分析∗

地震是造成综合管廊破坏的主要原因之一,综合管廊一旦发生破坏,其产生的后果将比传统埋地管道复杂得多。本文介绍了常见的几种综合管廊接头形式,并对不同的接头形式分别建立有限元模型,选取综合管廊标准段并考虑混凝土塑性损伤模型以及土体本构模型,利用自编程序施加黏弹性人工边界以及等效节点力对不同接头形式下管廊及内部管道进行地震响应分析。结果表明,在不同地震动强度下的最大纵向位移差,整体现浇结构的响应会高于预制拼装结构,且随着地震动强度的增加,响应的差异会进一步增大。两种接头形式下,管廊标准段在地震动作用下的损伤很小,仅在地震动峰值加速度达到0.4g及以上时会发生轻微损伤,不会影响正常使用。同一地震动作用下,小管径的管道应力水平会小于大管径的管道应力水平。同时采用橡胶止水带和预应力钢筋的接头形式会比仅采用橡胶止水带的接头形式更有利于降低廊内管道的应力水平。考虑到采用预应力钢筋连接的预制拼装结构会进一步提高廊内管道的安全水平,因此,在成本允许的情况下,不仅要考虑接头的防水,还应该采用预应力筋对相邻节段连接,进一步提升综合管廊的抗震性能。     

混凝土重力坝的地震响应分析

进行了某混凝土重力坝在多遇和罕遇地震荷载作用下的二维地震响应分析,比较了水位条件对大坝动力响应的影响。研究表明,在多遇地震荷载作用下,大坝应力应变关系基本处于弹性状态,在罕遇地震荷载作用下,最大地震动位移出现在大坝上侧,随着水位的上升,大坝上侧的位移和坝踵处动应力逐渐减小,而下游坝面折坡处的动应力基本不变。     

考虑横缝键槽咬合的拱坝地震响应分析

基于非线性指数型动接触本构模型,对实际键槽模型进行简化处理。采用的本构模型可以考虑缝面的开合非线性以及横缝键槽的咬合作用。采用点-面接触模型模拟横缝的非线性动接触行为,精细研究了缝面开度、径向位移的变化及其对坝体应力状态的影响,并与平缝结果进行了比较。以一座拟建的混凝土重力拱坝,探讨了横缝及其诱导缝对大坝工作性态的影响,并对横缝键槽的影响进行了综合分析。研究表明,横缝的径向滑移量要远大于开度,当考虑诱导缝时,由于大坝整体性受到削弱,横缝开度变大;考虑键槽效应后,径向滑移效应大幅减小,而法向开度增大,坝踵处的主拉应力以及拱冠梁顶处的拱向拉应力的最大值均变大。     

考虑应变速率影响的混凝土重力坝非线性地震响应分析

通过引入应变速率、损伤变量以及刚度退化指标等参数,建立了应变率相关的混凝土弹塑性损伤模型。运用该模型对某重力坝厂房坝段分别就率相关及率无关两种情况进行了三维非线性地震响应时程分析。深入研究了混凝土应变速率等相关特性对结构动力响应的影响。结果表明,应变速率对混凝土的力学性能有一定的影响,随着应变速率的增加,坝体结构的变形减小,主拉应力有所提高,应变能有所减小以及开裂损伤有一定的降低。所得结论对混凝土重力坝的震害研究有一定的参考价值。     

混凝土大坝抗震安全评价的发展趋向

一大批世界级超高拱坝已经和即将在我国西南和西北强地震活动区进行建设。大坝在国民经济发展中占有重要地位,大坝的抗震安全评价将成为我国地震工程研究的一个重要方向。本文对大坝抗震安全评价的研究现状进行了扼要总结,特别对大坝抗震安全有关的若干重要技术问题进行了深入讨论。其中包括抗震设防标准与地震动输入模式;混凝土材料的率敏感特性及其对大坝地震响应的影响;坝-水库-地基动力相互作用效应;强震时拱坝横缝的非线性张合效应;混凝土大坝的非线性地震响应与损伤发展的模拟等。对现有分析模型和方法的有效性及其局限性进行了评述。最后,对该课题今后进一步研究的方向提出了建议。     

混凝土重力坝FRP片材表面加固抗震性能研究

如何提高混凝土重力坝薄弱位置的抗震性能是国内外大坝抗震研究的热点问题。本文基于等价静力非线性方法,采用考虑混凝土细观非均匀特性的混凝土损伤模型,研究FRP片材表面加固大坝薄弱位置的抗震有效性。以2座不同形态的混凝土重力坝A、B为例,分别进行坝踵FRP片材表面加固研究和折坡处FRP片材表面加固研究,分析加固前后坝体的应力状态、裂缝扩展情况和破坏形态。数值模拟结果表明:坝踵处采用FRP片材加固可以很好地增强坝体的抗震性能,有效地抑制裂缝的产生和发展;折坡处采用FRP片材加固在一定程度上可以提高坝体的抗震性能,下游坝身加固与否对提高大坝的抗震性能影响不大。     

均质土坝非平稳随机地震反应分析

考虑地震荷载的随机性及强度、频率的非平稳性,基于作者提出的适用于非平稳随机过程的一般随机地震动模型,采用虚拟激励法,建立了非平稳随机地震反应分析方法,并将其应用于某实际均质土坝动力分析中。土石坝及坝基体系采用整体有限元离散,坝体和坝基材料的动力非线性性能以等效线性化方法考虑。首先,基于目标加速度时程的强度和能量信息,确定了作为输入的加速度时—频演变功率谱密度;其次,比较了确定性时程动力分析和非平稳随机分析的结果,探讨了频率非平稳随机地震激励下的土石坝地震反应特性;最后,比较了2种不同坝基条件下的土石坝非平稳随机地震反应,探讨了频率非平稳随机激励下的土石—坝基动力相互作用。分析结果表明:地震动的频率非平稳性对土石坝动力反应有一定影响;坝体—坝基动力相互作用在地震过程中的不同阶段表现有所不同,主震阶段的相互作用显著。     

新建宜万线渡口河大桥动力特性分析

新建的宜昌—万州线上的渡口河大桥为一座高墩大跨度连续刚构桥,为了研究其动力特性,分别按桩土连续梁模式、桩土空间刚架模式模拟桩土的共同作用,建立了相应的空间有限元模型。通过比较不同建模方法对动力分析的影响,深入分析了渡口河大桥的动力特性。研究了二期恒载、承台的质量、主墩的混凝土强度等级和边支座纵向弹性约束对结构动力特性的影响。计算结果表明,大跨度桥梁结构的动力分析必须建立详尽的分析模型,以反映结构的实际动力特性。     

土石坝溃决机理模型试验研究进展

大坝溃决将给人类社会带来巨大的灾难,因此国内外都很关注溃坝问题的研究。由于多数大坝均为土石坝,且土石坝是逐渐溃决的过程,而混凝土坝一般表现为瞬时溃决,因此土石坝溃决机理与溃决过程的研究对于溃坝过程数学模型的建立和致灾后果的评价具有重要的指导意义。自20世纪90年代以来,国内外学者围绕土石坝溃决机理开展了广泛深入的模型试验研究,取得了一系列重要的研究成果。分别从土石坝溃决原因、土石坝溃决机理研究进展、土石坝漫顶溃决模型试验、土石坝管涌溃决模型试验等方面介绍国内外的研究进展。重点针对土石坝坝型(均质坝、黏性心墙坝、面板堆石坝)和主要破坏模式(漫顶溃坝与管涌溃坝),介绍国内外开展的不同尺度的溃坝模型试验,分析研究了土石坝的溃决机理,并对今后的研究工作重点提出了相关建议。     

爆炸荷载下土石坝动力响应特征的数值模拟

土石坝在爆炸荷载下的力学响应是一个非常复杂的力学问题,相关研究甚少。在LS-DYNA软件框架内,以两河口土石坝为研究对象,把坝体材料简化为混凝土、心墙、反滤层与堆石体等4种,用500 kg TNT在坝顶接触爆炸时的瞬态荷载作为荷载源,针对不同材料建立适合于爆炸高加载率特征的本构模型,用数值方法分析了土石坝在潜在爆炸荷载下的破坏与损伤演化规律。结果表明,在爆炸荷载作用下,由于土石坝材料组成的多样性,应力波传播规律异常复杂,土石坝的力学响应呈现出显著的分区特征。