考虑流固强耦合效应的深水桥墩地震反应分析

基于任意拉格朗日-欧拉(Aribitrary Lagrange-Euler,ALE)描述的Navier-Stokes方程,建立了考虑流固强耦合效应(Fluid-structure interaction,FSI)的深水桥墩地震反应分析整体有限元模型,分析了流固强耦合效应对桥墩墩身相对位移、剪力和弯矩反应的影响,讨论了不同水位下的流固耦合效应及其影响。算例结果表明:流固强耦合效应将使墩身位移和内力反应明显增大,增大幅度与输入地震波的频谱特性存在相关性;输入地震波的位移峰值越大,流固耦合效应对位移反应的影响越大,对内力反应的影响越小;水位对深水桥墩内力反应的影响较对位移的影响显著。     

考虑流固耦合的桥墩地震反应方法

跨海桥梁地震反应中,作用于桥墩上的动水压力具有明显的流固耦合特征。依据张量理论,推导时变区域散度变换关系及微分形式的几何守恒律;基于任意拉格朗日-欧拉描述,从采用欧拉描述的流体运动Navier-Stokes方程出发,推导时变区域的流体运动控制方程;给出流固耦合问题中的结构计算模型、耦合面接触条件、耦合场计算方法以及流场网格运动控制方法。以某跨海大桥为例说明桥墩地震反应方法,重点突出地震动输入、流场初始条件模拟等问题。计算结果表明:流固耦合理论能够模拟桥梁墩台地震反应中的流场和结构特性;流场初始条件的正确模拟可保证计算稳定性,并减少运算量;横向地震动激励下,桥墩基底剪力较大,纵向地震动激励下,结构运动剧烈;流固耦合系统中的线弹性结构在地震反应中具有明显的非线性特征。     

考虑水流-结构强耦合作用的水流动力效应分析

在深水桥墩及桩基础等结构地震反应中,地震激励下的水流动水压力对水中结构的作用以及结构位形变化对水体的反作用,属于典型的流固强界面耦合问题.以一顶端伸出水面的圆柱式结构为研究对象,基于任意拉格朗日-欧拉描述的Navier-stokes方程,建立了考虑水流-结构强耦合效应的水流-结构三维有限元模型.以正弦位移波输入,考察结...     

场地地震反应分析研究现状及展望∗

场地条件对结构震害的影响已成公认的事实,如何定量的进行场地地震反应分析成为地震工程学中亟待解决的问题之一,而在场地地震反应分析中确定地震动输入至关重要。针对场地条件和地震动输入对场地地震反应的具体影响、场地地震反应分析方法等方面的研究现状进行了系统总结。已有研究表明,场地条件和地震动输入对场地地震反应分析结果有显著影响。但目前仍存在的问题有:在冻土区进行场地地震反应分析时未充分考虑冻土层的影响效应;缺乏合理的地震动模型来准确描述实际地震动;尚未明确地震波入射角度对场地地震反应的影响规律;目前广泛使用的等效线性化方法不能完全反应土体在地震动作用下的真实运动状态而使其计算结果不尽合理。结合以上问题对还需进一步研究的内容进行了展望,为场地地震反应分析未来的研究工作提供参考。     

考虑水-饱和土场地-结构耦合时的沉管隧道地震反应分析

用理想流体介质模拟水层、流体饱和多孔介质模拟饱和土地层,在理想流体介质与流体饱和多孔介质相连接边界的连续条件基础上,结合已有的对理想流体介质、流体饱和多孔介质进行动力反应分析的显式有限元方法,开考虑地层与结构的动力相互作用,建立了进行水与场地、结构耦合动力分析的方法。利用该方法对沉管隧道的地震响应进行了研究,重点分析了水深、地质条件等因素对沉管隧道地震反应的影响,并从中得出了一些可供相关人员进行沉管隧道抗震分析时参考的结论。     

渗流场对地铁隧道沉降与受力影响的流固耦合分析

地下水问题是富水地层地下结构设计与施工中普遍存在的问题。为探讨地下水流动对软岩地铁隧道的稳定性及衬砌支护受力的影响,根据流固耦合理论,采用三维快速拉格朗日有限差分方法,在不同地下水位及排水边界条件下,对开挖后洞室周边场地位移、应力场、孔隙水压力的分布情况进行了综合分析。结果显示,由渗流引起的渗透力一定程度上会增加隧道周边场地变形及衬砌应力。从围岩-支护结构共同作用的原理出发,验证了隧道开挖与支护结构设计时需要考虑渗流效应,反映了地下水确实对隧道稳定性有着重要影响。     

深厚软弱场地地震反应特性研究

以南京、盐城、上海的 3个典型场地作为长江下游地区深厚软弱场地的代表 ,探讨了深厚软弱场地的地震效应特性。首先 ,利用南京工业大学岩土工程研究所自行研制的GZZ 1自振柱试验机 ,对 3个典型场地的原状土样进行试验研究 ,获得了各类典型土的动剪切模量和阻尼比随剪应变的变化曲线 ;其次 ,选用Taft、ElCentro和Northridge地震记录作为输入地震动 ,将Taft、ElCentro和Northridge地震波加速度时程的峰值水平调整为 0 .35m/s2 ,0 .70m/s2和 0 .98m/s2 ,利用程序SHAKE91对 3个场地进行了输入不同地震波、不同峰值加速度水平的 2 7种组合的地震反应分析。数值分析表明 :场地条件和基岩输入地震动特性对土层的地震加速度放大效应有显著影响 ,地表处的地震加速度放大系数随着输入地震波峰值的增加而减小 ,土层内部的这种规律性不如地表处表现得明显 ;地表软弱土的存在使土层地表处的地震加速度放大系数急剧增大 ,场地内部软弱土夹层处的地震加速度放大系数急剧增大 ,强震时易失效 ;互层土特殊的层理构造会造成该土层的剪应变幅值急剧增大。     

基于可液化场地地震反应数值模拟的影响因素分析

饱和砂土地基在强震作用下会产生液化,导致其强度降低,并产生沉降、侧移和喷砂冒水等现象。基于YANG Zhao-hui提出的砂土液化本构模型,采用OpenSees对饱和砂土场地的地震反应进行了非线性动力有限元分析,阐述了液化机理以及对地基的作用;通过改变土性、地震动幅值、持时、频率等因素后数值模拟的对比,分析了各因素对可液化场地地震反应的影响。结果表明,饱和松砂场地更易产生液化;大震下场地更易产生液化;长持时的地震动更易造成液化;高频和低频的地震动均不易造成液化,而存在一个最易造成液化的中间频率值。     

场地地震反应的特征线解与等效线性化解对比研究∗

研究了响蹚(Ⅱ类)、盐城(Ⅳ类)、CHBH06(Ⅲ类)3种不同类别的场地在地震动作用下特征线差分计算结果与等效线性化法计算结果的差异性.在响蹬场地(Ⅱ类)下,随输入地震动峰值增加,特征线法计算的峰值加速度逐渐增加,反应谱曲线规律性递增;等效法计算峰值加速度先减小后增加,反应谱曲线在较大输入时逐渐递增.在盐城场地(Ⅳ类)下,特征线法计算的峰值加速度均比等效法的计算值稍大,反应谱平台宽度较等效法反应谱平台宽度宽.在KIK-net的CHBH06场地(Ⅲ类)中,将两种方法的计算结果与实际记录对比,结果表明:特征线法时程的傅里叶谱频带宽度与实际记录接近,加速度反应谱与实际记录的加速度反应谱较等效法加速度反应谱接近.通过对比分析,以期促进特征线差分方法的应用.     

海湾深厚海床场地二维非线性远场强地震反应特征∗

人们早已认识到远距离强地震可能引起覆盖层深厚的沿海或盆地城市发生严重的地震灾害。以某杭州湾跨海通道为背景,建立跨海湾海床二维场地的精细化有限元模型,依据区域地震活动性,选取远场大地震井下记录作为海床基岩的输入地震动,考虑地震动特性、海床微地形特征、沉积土的空间异质性和非线性滞回特性,研究了远场强震引起的海床场地非线性地震效应特征。海床场地效应与海床微地形特征、沉积土的空间异质性和输入地震动特性密切相关。凹陷地表边缘、基岩隆起和凹陷部位及海床土软弱区域的场地放大效应显著,呈现出低频聚焦现象,且竖向地震反应更为明显。仅考虑水平向地震作用将显著低估海床非线性场地效应程度,水平向和竖向地震同时作用引起的竖向地震效应不应忽视。     

输水隧道在行波激励下的三维地震反应分析

随着大规模调水工程的建设,穿越软土地区的浅埋输水隧道的抗震性能的重要性愈加突出,这就涉及到地震动的输入问题。而对于空间尺度很大的大型输水隧道,地震动输入的空间变化特性即多点输入对输水隧道的地震响应产生重要的影响。所以在考虑了衬砌-水体-围岩的相互作用的同时,还考虑了地震波有限波速传播所引起的行波效应及不同地震动激励方向对三维输水隧道的地震动的影响。结果表明:与地震动一致输入相比,行波效应将对输水隧道的地震响应产生不利的影响。     

考虑流固耦合作用的深水桥墩地震响应分析

地震作用下,深水桥墩与周围水体的耦合振动是一个非常复杂的动力相互作用问题。本文基于非线性Mori-son方程,采用Airy波浪理论,建立了深水桥墩考虑流固耦合作用的有限元模型,应用Newmark-β法提出了求解该耦合非线性方程的算法,并用ANSYS软件和Matlab软件自编了求解程序。以某跨海大桥深水桥墩为算例,对其进行在地震作用下的非线性动力分析,并与已有计算方法进行对比。结果表明:按本文方法计算的墩顶最大位移、墩底最大剪力及墩底最大弯矩均较大,差异最大达到12.5%。因此在极端海况条件下,对深水桥墩进行地震作用下的动力分析时,建议采用本文考虑流固耦合的方法。     

不同场地条件下水下隧道周围土体位移变化的数值分析

以拟建的哈尔滨松花江隧道为背景,考虑土体—衬砌的材料非线性特性和相互作用,按平面应变假定,建立在不同场地条件下的若干接近实际的有限元计算模型,应用有限元计算软件ANSYS进行数值分析,得出不同场地条件下隧道周围土体位移的分布规律,遴选出了影响水下隧道周围土体变形的部分关键因素,为合理确定隧道覆土层安全厚度提供了一定的理论依据。     

北京地区中硬场地地震动效应研究

依据典型工程场地的地震安全性评价报告,研究北京地区中硬场地地震动效应.首先,统计分析了地震安全性评价结果中的场地地震动放大效应.再利用201个工程场地的钻孔资料进行土层地震反应计算,分析不同地震动输入下的场地地震动放大效应.结果表明,北京地区中硬场地地震动放大效应明显,得到的场地地震动峰值加速度转换系数Ka高于《中国地...     

水泥土桩复合地基场地地震效应分析

将复合地基加固区视为均质体,采用课题组提出的基于Davidenkov骨架曲线的土体动弹塑性模型描述复合地基加固区和非加固区土体的动应力-应变关系,基于大型有限元软件ABAQUS的操作平台,开发了土体动粘弹塑性模型的子程序。选择南京某典型软弱场地为研究对象,采用ABAQUS软件进行了复合地基二维弹塑性地震反应分析,研究了输入地震动强度和频谱特性、水泥土桩加固宽度和深度、复合地基模量对复合地基场地地震效应的影响。结果表明:输入地震动强度和频谱特性对复合地基地震效应影响较大;复合地基加固区地表的峰值加速度反应较自由场的反应明显减小,而加固体区外侧地表的峰值加速度反应较之自由场的反应可能增大;复合地基地表的峰值加速度反应随着水泥土桩加固深度和复合模量的增加而减小,而与加固宽度无关。     

本构模型特性对深厚场地非线性地震反应的影响

采用基于Davidenkov和Matasovic骨架曲线构造的不规则加卸荷应力—应变滞回圈,数值模拟了2个剖面的苏州第四纪深厚场地二维非线性地震反应。结果表明:(1)采用Matasovic模型计算的地表峰值加速度稍大于采用Davidenkov模型计算的地表峰值加速度,但前者计算的地表地震动持续时间稍小于后者计算的。随着基岩输入地震动强度的增大,两者给出的地表峰值加速度差异呈现逐渐增大的趋势,并与土体的横向不均匀特性有关;(2)两者给出的地表谱加速度谱形基本相似,其差异随基岩输入地震动强度的增大而增大;远场地震动作用下地表谱加速度的卓越周期也随输入地震动强度的增大而增大;(3)两者给出的峰值加速度随土层深度和横向的空间变化特征基本一致,远场地震动作用下的地表峰值加速度明显大于近场地震动作用下的地表峰值加速度。     

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。