土石坝动力分析人工边界处理方法

我国很多在建或拟建土石坝工程位于地震高烈度区,土石坝的动力反应特性和抗震性能成为工程界关注的焦点。在坝体-地基系统动力分析中,可以通过在截断边界上施加人工边界,解决外行散射地震波无法透过固定边界、在坝体内反复反射、显著增大坝体结构反应的问题。介绍了目前结构动力分析中广泛采用的几种人工边界条件(主要包括透射边界、粘性边界和粘弹性边界),评述了各自的优缺点,着重分析了粘弹性人工边界应用于覆盖层上土石坝动力分析所面临的问题和解决对策。结果表明,粘弹性边界条件能够吸收外行散射地震波能量、模拟人工边界外无限地基介质的弹性恢复性能,可以应用于深厚覆盖层上土石坝动力分析边界处理研究。     

利用竖向台阵地震记录进行场地地震响应分析的边界问题北大核心CSCD

首先推导了基于刚性基底和弹性基底边界的一维土层模型的地震响应分析方法,并根据上述理论分析,得出了直接以竖向钻孔井下地震记录作为输入进行土层地震反应计算时,土层模型的边界应按刚性基底考虑的结论。然后设计了1个一维土层模型算例,采用DEEPSOIL和LSSRLI-1通用程序,以弹性基底边界条件分别进行土层地震响应分析,比较这2个程序的计算结果,验证了其一致性和可靠性;最后以某一深度处的地震响应为输入,建立与该深度匹配的刚性基底土层计算模型,使用DEEPSOIL程序对该模型进行计算,计算结果与前述结果完全一致,从而验证了直接使用井下台阵记录计算时,土层模型底部应选用刚性基底的结论,该结论将有助于正确利用地下强震记录进行土层地震响应分析。     

利用竖向台阵地震记录进行场地地震响应分析的边界问题

首先推导了基于刚性基底和弹性基底边界的一维土层模型的地震响应分析方法,并根据上述理论分析,得出了直接以竖向钻孔井下地震记录作为输入进行土层地震反应计算时,土层模型的边界应按刚性基底考虑的结论。然后设计了1个一维土层模型算例,采用DEEPSOIL和LSSRLI-1通用程序,以弹性基底边界条件分别进行土层地震响应分析,比较这2个程序的计算结果,验证了其一致性和可靠性;最后以某一深度处的地震响应为输入,建立与该深度匹配的刚性基底土层计算模型,使用DEEPSOIL程序对该模型进行计算,计算结果与前述结果完全一致,从而验证了直接使用井下台阵记录计算时,土层模型底部应选用刚性基底的结论,该结论将有助于正确利用地下强震记录进行土层地震响应分析。     

层状半空间中凹陷地形对斜入射平面P波的2.5维散射

采用间接边界元法研究了层状半空间中凹陷地形对斜入射平面P波的2.5维散射问题。取无限长凹陷地形任一横截面,将边界以斜线单元离散,通过自由场反应分析,求得假想边界上各单元的应力响应。施加虚拟移动均布斜线荷载,求得应力格林函数。根据凹陷边界上的零应力边界条件确定虚拟移动均布斜线荷载密度,将自由场响应和虚拟移动均布斜线荷载产生的响应叠加起来,即得到问题的解答。通过与已有结果的对比,验证了本文方法的正确性。最后,以均匀弹性半空间和基岩上单一土层中凹陷地形对斜入射平面P波的2.5维散射为例,进行了数值计算分析,结果表明:凹陷地形的2.5维散射和二维散射之间存在明显差异;层状半空间中凹陷地形和均匀半空间中凹陷地形对波的散射作用存在显著差别。分析了造成差别的原因,并深入讨论了入射角度、覆盖层厚度和刚度对散射作用的影响。     

大型河谷场地地震动特性研究

采用有限差分方法,通过算例研究了大型河谷场地地震动特性分析中的人工边界的选取方法,对比分析了不同人工边界的选取对数值模拟结果的影响,确定了散射场地震反应分析输入边界的地震动输入方法,认为在进行有限差分动力计算时,模型两侧施加自由场边界的模拟效果要优于两侧施加粘性边界的模拟效果;同时,对FLAC计算软件进行二次开发,对2个地形差异较大的河谷场地,采用线性和非线性摩尔-库仑模型进行了地震反应对比分析,研究了河谷场地地震动幅值和频谱特性随地形变化的规律。模拟数据表明,河谷场地谷底处地震动基本无放大作用,地势凸起处放大作用则较为明显;当考虑土体非线性时,随着地震动强度的增加,放大作用逐渐减小;谱分析结果表明,地势凸起处受高频地震动的影响显著,而地势平坦的谷底则受低频地震动的影响显著。     

边坡地震响应数值模拟中最优边界范围研究∗

在边坡地震响应数值模拟中,科学合理地选取边坡计算模型的边界范围是决定模拟结果准确性的关键因素之一。基于有限元数值模拟方法,分别建立了边坡前缘和后缘两组边界尺寸不同的概化模型,选取了两条不同特性的实际地震动记录作为输入,计算了各边坡模型的动力响应,探索了边坡前缘和后缘尺寸的影响规律,验证了远置边界在边坡地震稳定性分析中的可用性。结果表明：(1)在边坡地震响应数值模拟中,边坡模型的前缘尺寸应至少设定为坡高的 2 倍、后缘尺寸应至少设定为坡高的 4 倍,才能避免边界的地震波反射叠加效应,以便得到更为准确的模拟结果;(2)设置黏弹性边界和远置边界工况下得到的边坡地震安全系数相差 0.02,说明合理的远置边界可以运用到边坡地震稳定性分析当中。     

波动数值模拟中人工透射边界的实现技术

对局部场地动力反应的有限元方法及其边界问题的处理技术进行了研究,基于ABAQUS有限元软件开发了用于局部场地反应数值模拟的人工透射边界的子程序,通过对均匀半空间的波动问题的分析,验证了局部场地动力反应分析模型和边界处理技术的可行性。算例结果表明,基于ABAQUS有限元软件建立的地震波输入方式和透射边界的用户子程序对于局部场地动力反应分析具有良好的适用性。所提方法可用于二维局部不规则、不均匀和非线性场地的地震波散射问题。     

SF6气体绝缘设备的放电特性研究

采用间接边界元法,给出了层状半空间中沉积谷地对斜入射平面SV波的三维散射解答,并通过与已有结果的比较,验证了本文解答的正确性。进行数值计算,研究了斜入射角度对散射效应的影响,并以基岩上单一土层为例,讨论了基岩刚度和覆盖土层厚度对沉积谷地附近地表位移的影响。研究表明,三维散射与二维散射之间存在本质差别,不能简单地将斜入射平面SV波分解到沉积谷地横截面的面内方向,然后按平面问题进行计算;基岩与土层刚度比对沉积附近地表位移幅值有着较大的影响,但对位移幅值的空间分布影响不大;土层厚度变化不仅影响地表位移幅值的大小,还会改变地表位移幅值的空间分布。     

层状半空间中沉积谷地对入射SV波的放大作用——时域解答

利用傅里叶变换方法,研究了层状半空间中沉积谷地对SV波的时域散射问题。首先,通过傅里叶变换将时域问题转换为离散的频域问题,针对有效频率成分采用间接边界元方法求解频域响应,再将所得频域结果进行傅里叶逆变换得到时域解答。通过与已有结果的对比,验证了方法的正确性。最后,以基岩上单一土层中沉积谷地在R icker波入射下的散射问题为例进行了数值计算分析,结果表明,沉积谷地和土层的存在都会造成振动持续时间的增长;层状半空间中沉积谷地和均匀半空间中沉积谷地对波的放大作用存在显著差别。文中分析了造成该差别的原因,并讨论了覆盖层厚度和刚度对散射效应的影响。     

地震作用下土‐深埋地下结构相互作用的高效时程分析方法∗

基于黏弹性边界和将场地地震反应转化为等效荷载的有限元直接法是目前进行地震作用下土-结构相互作用分析的常用时程分析方法之一。当结构埋深较深时,整个土-结构系统的有限元模型自由度数目较多,尤其对于三维问题,计算效率低。提出一种高效分析方法,即一维场地反应分析仍然针对整个深厚土层,在后续的土-结构相互作用分析中将土-结构计算模型的自由表面向下移动、底边界面向上移动到接近结构的位置,通过缩减土-结构相互作用模型尺寸来提高计算效率。采用理论分析与数值算例,通过与采用整个深厚土层的传统土-结构相互作用分析结果对比,说明提出的高效分析方法能够满足精度要求,并且针对不同结构尺寸、结构埋深和围岩等级给出上、下人工边界位置的建议。     

场地动力特性对衬砌隧道地震反应的影响

采用间接边界元法(IBEM),研究了平面SV波入射下场地动力特性对衬砌隧道地震反应的影响问题。充分利用半空间格林函数和全空间格林函数在分别构造含孔半无限空间域和闭合域内散射波场方面的优势,将含有衬砌隧道的层状半空间分解为含孔层状半无限空间域和一个环形衬砌闭合域。在半无限空间域孔洞边界和闭合域边界各单元上分别施加虚拟均布荷载,进而求得半空间和全空间域内的位移、应力格林函数,然后根据边界条件确定虚拟均布荷载密度,最后求得衬砌内表面动应力集中系数。验证了方法的正确性,并以基岩上单一土层和基岩上三层土为例,计算分析了层状弹性半空间中隧道衬砌内表面动应力集中系数。结果表明,随着基岩土层刚度比的增大,动应力集中系数峰值减小;随着土层厚度增大,动应力集中系数峰值总体上呈减小趋势;对于不同土层层序,动应力集中系数峰值明显不同。     

基于响嘡台阵的土层一维时域动力本构模型的检验

目前大量用于进行土层非线性地震反应分析的等效线性化方法在考虑大震作用时,会出现过大的"共振"效应,造成对地表地震反应的误估。故常采用时域积分方法弥补其缺陷,而土体动力本构模型是决定时域积分方法优劣的关键。在此前的工作中,已提出了一种针对阻尼比拟合的修正UE土体动力本构模型,为验证修正UE模型在进行土层地震反应分析时的有效性及优越性,同时采用等效线性化方法及嵌有不同本构模型的时域积分方法进行了响嘡台阵场地的一维土层非线性地震反应分析,并将不同方法下的计算结果与实际记录进行了对比分析。最后,通过计算分析证明了修正UE模型对响嘡台阵地表地震反应的估计结果是客观有效的。     

盾构隧道的开挖模拟及地震反应数值分析

由于盾构隧道掘进的特殊施工工艺,使开挖模拟的数值计算存在着诸多难以量化的因素。采用应力释放法模拟盾构隧道的开挖,在衬砌和土体之间设置等代层单元模拟盾构施工的影响,求得竣工期的应力场和位移场。在静力计算基础上运用动力有限元时程分析法,采用粘性人工边界条件,分析了隧道衬砌在地震过程中的最大响应。其结果和规律可为一般的盾构隧道地震反应分析提供借鉴。     

层状场地中任意形状沉积河谷对平面SH波的散射

利用间接边界元方法在频域内求解了层状场地中任意形状沉积河谷对平面SH波的散射;利用土层的精确动力刚度矩阵求解了应力和位移的动力Green函数;结合间接边界元法,研究了沉积河谷宽度、厚度、入射角、入射频率等对地表位移幅值的影响,并与按一维场地模型计算的结果进行了比较。研究表明,沉积河谷有明显的二维散射效应,与一维模型的计算结果差别显著。在工程场地地震安全性评价中,应合理考虑沉积河谷对场地设计地震动参数确定的影响。     

隧道结构与围岩土体三维地震反应分析

基于有限元分析软件ABAQUS平台,编制材料本构模型子程序UMAT,采用粘弹性人工边界条件模拟能量开放系统的边界,利用二次开发后的ABAQUS软件,模拟了隧道与围岩系统的三维地震反应,对比分析了不同入射角度下隧道结构与围岩土体的地震反应规律。分析结果表明,在地震荷载作用下,土体产生了不可恢复的塑性变形,主要表现为地表沉降;在斜入射条件下,随着入射角的增大,地表沉降显著增大,且沉降最终趋于稳定的时间有延长的趋势;均质地层中的大跨度长距离隧道结构,其横向地震反应受入射角的影响较大,表现为随着入射角的增大,结构的竖向沉降以及Mises应力显著增大;其纵向地震反应受入射角的影响不大。     

苏通大桥初设阶段主桥场地地震反应计算

本文计算了苏通大桥初设阶段主桥近300 m深场地的地震反应。将三种地震波从基岩输入,并考虑了行波效应,从而得到不同计算工况下8个桥墩所在场地的地震反应结果,列出了工程场地地表的部分绝对加速度和绝对位移的计算结果。从计算结果来看,土层的地震反应受到以下几个因素的影响:土层计算模型、土层的地质地形条件、行波效应。当有倾斜河谷地形时,采用一致输入下水平均匀分层土层的简单模型后,计算所得的工程场地地震动参数与实际场地精细化模型的计算结果有较大的差距。是否考虑基岩面上地震波的行进过程,也会对场地地表的地震动参数产生较大的影响。     

结合历史大震的反演探讨砖石古塔的抗震变形能力

通过对1604年泉州海外721级大震进行反演,得到该次地震在泉州东、西塔塔址的基岩水平峰值加速度和基岩水平加速度反应谱;然后,结合试验测定的场地岩土力学性能,采用一维等效线性化波动法计算土层地震动反应,得到塔址地表水平加速度时程;接着,基于MATLAB平台,结合地震危险性分析结果,采用Wilson-θ法自编程序,对东、西塔进行结构弹性时程动力分析,并根据史料记载的东西塔在这次地震中的破坏状况,得到东、西塔的弹性层间位移角限值。与相关文献的结果相比,两者数值上相差不大,但本文的分析方法更符合当前的认知水平。本文结果可供古石塔抗震变形验算和震害预测参考。     

层状楔形空间平面SH波入射下的波场分析

采用间接边界元方法求解SH波入射下的层状楔形空间内的波场。本文方法首先将层状楔形空间扩展为层状半空间,计算层状半空间在SH波入射下的自由波反应;然后在楔形空间斜边界上施加虚拟均布荷载,模拟楔形空间斜边界对波场的影响,虚拟均布斜线荷载密度可由相应边界条件求得;最后叠加自由波场和均布斜线荷载产生的波场,求得总波场。验证了本文方法的正确性并进行了数值计算分析。研究表明,层状楔形空间与均匀楔形空间内的波场存在显著差异,土层的存在使得位移幅值随入射角度的变化更为复杂。该研究为后续楔形空间在P、SV和Rayleigh波入射下的波场求解打下了基础。     

基于ANSYS的球形库房抗风和抗震能力分析

本文运用抗风和抗震相关理论,建立球形库房在台风和地震共同作用下的整体和局部仿真模型,通过有限元计算程序ANSYS划分网格、施加荷载和边界条件后进行数值模拟,并对材料强度进行了研究分析,结果表明库房整体结构合理、选材恰当,完全能够满足相关技术指标要求。     

地铁隧道地震反应数值模拟与试验的对比分析

根据可液化土层上土-地铁隧道结构动力相互作用大型振动台模型试验结果，以软件ABAQUS为平台，将地基土-地铁隧道结构体系视为平面应变问题，采用记忆型嵌套面粘塑性动力本构模型和动塑性损伤模型分别模拟土体和隧道结构混凝土的动力特性，建立了土-地铁区间隧道非线性动力相互作用的有限元分析模型。对各种试验工况下地基土-地铁隧道结构体系的地震反应进行了数值模拟，并与试验结果进行了对比。结果表明：数值模拟与振动台模型试验结果基本一致，呈现出相似的规律性，相互验证了基于ABAQUS软件的力学建模和振动台试验结果的正确性。