海啸波近岸共振响应的数值模拟及分析

应用有限差分方法求解非线性浅水长波方程,建立了海啸波产生和传播的二维数值模型;对太平洋地震引起的夏威夷群岛海啸波进行模拟,并将模拟结果和测站实测值进行比较,验证了模型的正确性。利用快速傅里叶变换对数值模拟结果进行谱分析,得到整个计算区域的能量谱分布,并给出了发生能量聚集的位置及相应的谱峰周期。讨论了海啸波传播到近岸时可能产生的共振响应现象,发现海啸波和近岸的共振响应不仅与近岸复杂地形有关,还与海啸波传播到近岸时的波浪入射方向有关。     

孤立波作用下不同长宽比圆端形桥墩受力数值分析∗

为研究极端波浪灾害对近海铁路桥墩的水动力作用,基于CFD数值软件进行入口边界造波,结合k?ω湍流模型求解RANS方程,采用孤立波模拟极端波浪,建立数值水槽,并利用理论公式验证了数值水槽的可靠性。为探究桥墩长宽比对圆端形桥墩受力的影响,在数值水槽中开展了孤立波作用下不同长宽比（L/D）圆端形桥墩的三维数值模拟,研究了圆端形桥墩长宽比对桥墩周围波浪爬高、流速及桥墩波浪力的影响。研究结果表明：不同长宽比圆端形桥墩最大波压均发生在静水液面位置;桥墩长宽比对波浪爬高、墩周流场影响明显;圆端形桥墩受到的最大波浪力、墩底最大弯矩随着长宽比的增加而增加,当长宽比较小时,二者呈线性关系。     

钻石型桥塔五分力系数的数值模拟

以洞庭湖大桥桥塔(主塔)为研究对象,基于Fluent软件平台,采用Realizable和SST两种湍流模型对桥塔表面风压分布特性进行了数值模拟,将模拟结果与现场实测值进行了比较,以此验证了所提数值模拟方法的可行性;预测和探讨了桥塔在不同风速及不同风向下对其五分力系数的影响,并对五分力系数的影响变化规律进行了总结,从而为钻石型建筑结构的抗风设计提供一定的参考。     

二维溃坝洪水波传播的高精度数值模拟

建立了二维浅水方程的高分辨率数学模型。求解浅水方程时,将方程做空间差分算子分裂,并沿各空间方向采用有限体积法积分方程,应用二阶上风TVD格式确定有限体积交界面处的物理量通量。应用该模型对矩型明渠坝体瞬间全溃的洪水波进行了计算,并将计算值与理论解进行了比较;最后用该模型对大坝瞬间局部溃倒所致的洪水演进过程进行了数值模拟,对模拟结果进行了定性分析,并与其它算法进行了比较,表明该模型对模拟溃坝洪水波是有效的。     

基于洪水演进数值模拟的溃坝危害性快速评估

采用部分溃坝模型与堰流相交算法计算溃坝最大流量,并基于四次抛物线概化方法得到溃坝洪水的流量过程线;利用洪峰展平法将洪水波概化为三角形,对洪水演进过程进行模拟,分析溃口宽度和溃口形态对洪水演进过程的影响;研究考虑不同溃坝条件下对溃坝洪水的到时、最大流量、水深和洪水历时等洪水演进的主要参数的快速估算方法,以实现对地震可能引发不同溃坝事件危害性的快速评估。     

土石坝管涌溃坝过程数学模型及应用

通过国内外土石坝管涌溃坝模型试验发现,管涌通道断面在溃坝过程中呈现城门洞形,并不断发展扩大直至坝顶发生坍塌。而目前常用的管涌溃坝过程数学模型大多假设管涌通道为圆形或矩形,与实际情况不符。基于土石坝管涌破坏机理,提出一个土石坝管涌溃坝过程数学模型,模型假设初始管涌通道断面为底部正方形顶部半圆形的城门洞形,采用基于水流剪应力的冲蚀公式模拟冲蚀过程管涌通道两侧边向外的发展,采用普罗托季亚科诺夫压力拱理论模拟管涌通道顶拱的发展;通过比较管涌通道上部坝体的重力与管涌通道两侧土体的抗剪强度判断管涌通道的垮塌,分别选择孔流和堰流公式模拟管涌通道坍塌前后的溃口流量;当管涌通道坍塌后,假设坍塌的土体立刻被溃坝水流带走,随后发生漫顶破坏,使用极限平衡法模拟漫顶溃坝过程中的溃口边坡稳定性。模型采用按时间步长迭代的数值计算方法模拟溃口的水土耦合过程,选择国内外25个具有实测资料的土石坝管涌溃坝案例对模型进行验证,比对峰值流量、溃口最终宽度及溃坝历时等参数发现,模型计算结果与实测值的相对误差可满足工程需求,验证了模型的合理性。     

湖区桥塔塔顶表面风压的数值模拟

以洞庭湖大桥桥塔(主塔)为研究对象,基于Fluent软件平台,模拟了主塔塔顶表面的风压分布。采用3种不同的湍流模型对主塔塔顶进行数值模拟,并将模拟结果与实测试验结果进行了对比。选取合理的湍流模型;并探讨了不同风速及不同风向角对主塔塔顶表面风压分布的影响。结果表明,3种模型模拟的结果均与实测试验结果变化趋势一致,而Realizable k-ε模型的模拟结果更接近于实测试验结果;不同风速对主塔塔顶迎风面及侧面风压系数影响较小,而对其背风面风压系数有较明显影响;不同风向角对主塔塔顶风压系数影响显著,尤其是对其拐角处。研究结论可供湖区复杂高耸结构的抗风设计参考。     

基于有效应力原理的溃坝分析

依据前人的研究分析得知,天然坝的溃决主要是受坝体内部孔隙水压力的影响。因此,基于有效应力原理提出了溢流侵蚀溃决型坝的数学模型,该模型为溃坝时的临界孔隙水压力计算公式。通过对坝体孔隙水压力进行监测,可对该类型坝进行实时预报。为了检验该模型的正确性,设计并进行了大型野外溃坝模拟试验。经试验检验得知,该模型的可靠度较高;同时,该试验还得出了孔隙水压力在坝体内部的分布规律。所得成果对溢流侵蚀溃决型坝的预警预报具有参考价值。     

考虑群桩-土相互作用的梁式桥子结构拟动力试验方法研究

考虑群桩-土相互作用影响,对梁式桥在顺桥向水平地震作用下的子结构拟动力试验方法进行了研究。在建立的结构试验模型中,可以取桥梁支座、桥墩或桩基础作为试验子结构置于异地实验室进行试验实测,其余部分进行数值模拟。基于网络化结构实验室Net SLab系统,开发了考虑群桩-土相互作用的梁式桥远程协同子结构拟动力试验程序。进行了一系列梁式桥远程虚拟子结构拟动力试验,并将试验结果与SAP2000时程分析结果进行了对比,验证了试验程序的可靠性。     

基于NetSLab远程协同试验平台的多跨桥梁抗震研究

利用远程协同试验平台NetSLab,对一个多跨的桥梁结构进行了抗震试验研究。该平台是基于客户机/服务器概念开发的,提出了供结构拟动力远程试验用的数据模型和应用协议。它能够在远程结构实验室或计算机之间通过互联网传送控制和反馈数据。桥梁系统由3个柱子组成,分别在湖南大学、哈尔滨工业大学和清华大学之间模拟。湖南大学站点试验模型为GFRP约束弯曲型钢筋混凝土桥墩柱,哈尔滨工业大学站点试验模型为CFRP约束剪切型钢筋混凝土桥墩柱,清华大学站点则进行数值模拟。对该桥梁进行了3个水准地震作用下的远程协同拟动力试验,地震动加速度选用E l Centro波。试验结果表明,GFRP加固柱具有良好的延性及抗震性能,CFRP加固可阻止柱子的脆性剪切破坏,有效地提高其滞回性能及能量耗散能力,从而可大大地提高整个桥梁系统的抗震能力。     

唐家山堰塞湖溃坝洪水模型及应用

在资料稀缺、时间紧急的情况下,设计出快速相应的洪水演进递推模型。该模型以水量平衡、水力学公式为基础,在溃坝过程中通过递推方法得出不同时刻坝口变化的过程。同时采用以立波方式传播的洪水波对洪水演进过程进行研究,从而实现对溃坝洪水过程的模拟。最后利用唐家山堰塞湖2008年6月10日的观测数据,使用Matlab软件编程进行了演算,验证了模型的准确性、合理性。     

某刚架拱桥荷载试验研究

为评定某刚架拱桥的实际承载能力,确定桥梁的实际运营状况并为后期的维修加固提供科学的依据,对该桥进行了现场荷载试验。荷载试验前结合桥梁专业有限元软件计算了设计标准荷载下桥梁结构各测量值的大小,荷载试验过程中对结构的挠度、应变、自振特性、冲击系数等参数进行了测试,随后将实测结果与理论分析结果进行了对比。分析结果表明:桥跨梁体实测的挠度校验系数介于0.74~0.92之间,未超出规范中1.0的限值,表明桥梁结构刚度具有一定的富余度,结构刚度实际工作性能较好。试验跨动力测试的模态与理论模态吻合较好,说明桥梁结构的刚度满足使用要求。该桥在正常使用状态下的承载能力不能满足要求,建议对该桥进行承载能力加固处理。     

大直径变截面钢管复合桩竖向承载性能研究∗

为了研究大直径变截面钢管复合桩竖向承载性能,选取鱼山大桥37#桩开展了自平衡试桩试验,并利用数值模拟软件ABAQUS对实际工况进行模拟,在验证了数值模型正确性的基础上对模型施加桩顶竖向荷载,分析了其桩身轴力与钢管应力传递规律,并通过改变变截面位置参数建立不同工况模型,分析了变截面位置对桩基竖向承载性能的影响。研究结果表明:自平衡试桩试验Q-s曲线没有突变较为平缓,经计算该桩单桩承载力为120 056kN,为单桩设计桩顶最大竖向荷载38 212 kN的3.14倍,桩基足够安全;数值模拟结果与实测较为吻合,数值模拟方法以及参数选取得当;变截面位置以上桩身轴力减小较缓,变截面处桩身轴力存在突变,变截面以下桩身轴力减小较快,桩端有端阻力存在,钢管处于弹性变形阶段并未屈服;变截面位置以上桩段越长桩基抵抗竖向变形能力越强,但生产实际中应考虑材料用量以达到最优。     

强震作用下钢筋混凝土灯塔结构破坏模式研究

为研究某灯塔结构在地震作用下的破坏模式,以该结构缩比振动台试验为背景,对结构试验模型进行有限元建模,利用扩展有限元方法模拟其在不同罕遇地震作用下的动力反应。将数值模拟结果与振动台试验结果进行对比,验证该方法的可靠性,并进一步分析了该灯塔结构在地震作用下的破坏模式。数值模拟和振动台试验结果均表明,该灯塔结构变截面段外墙与圆筒的连接部位是主要的应力集中部位,因竖向受拉首先产生破坏裂缝。随着地震动强度的增加,结构上部会发展出新的水平裂缝,最终呈现出水平成层开裂的破坏模式。     

非规则多跨简支梁桥纵向地震反应及参数影响分析

考虑支座非线性和桥墩弹塑性的影响,建立了不等墩高5跨非规则简支梁桥的有限元模型。采用非线性时程分析方法计算了不同地震波输入下多跨简支梁桥的纵向地震反应,研究了非规则多跨简支梁桥邻跨刚度比及上部结构间相互碰撞效应对桥梁纵向地震位移反应和内力反应的影响规律。研究表明,邻跨刚度比对非规则多跨简支梁桥的桥墩剪力、墩底弯矩、墩顶位移、梁体位移、墩梁间相对位移及主梁间相对位移有着显著的影响,并且邻跨刚度相差越大,影响越为显著,更容易使上部梁体发生落梁破坏;考虑桥梁上部结构碰撞效应时,邻跨比对桥梁结构反应的影响受地震波的影响较大,碰撞未必加剧落梁破坏。     

软土地铁车站中柱在强震作用下的响应研究

将汶川地震时获得的地震波作为输入波,利用FLAC3D软件对软土典型地铁车站中柱进行强震响应的三维数值模拟。土体采用D-P本构模型,车站结构采用弹性模型,并选用瑞利阻尼和Hardin/Drnevich模型的滞后阻尼来实现土在循环动荷载下的滞回和非线性。计算结果包括中柱的相对变形、轴力、剪力、弯矩及车站中柱的加速度响应规律。结果表明:下层中柱是地铁车站受地震波作用时最为薄弱的构件,并且中柱的破坏系水平向地震波和竖直向地震波共同作用的结果。     

用分布式混合试验系统模拟结构的倒塌行为

采用分布式混合试验系统模拟四层钢结构框架在强震下的倒塌行为。变形集中的首层作为试验对象,而上部结构作为数值子结构。各子结构通过协调器满足界面上的平衡和协调条件,并被协调器的输入输出接口封装起来。采用柔性的试验方案,可以在当前有限控制精度的限制下,灵活地处理边界条件。试验结果与日本E-D efense振动台足尺试验结果进行了对比,得到了类似的倒塌机制,证明混合试验有能力进行结构倒塌模拟,而误差主要来自于模型简化。     

土与结构相互作用体系振动台模型试验数值模拟研究(英文)

运用土与结构动力相互作用 (SSI)有限元三维分析软件 SASSI2 0 0 0对一个土与结构动力相互作用体系振动台模型试验进行了模拟计算。对振动台模型试验作了简单的介绍 ,并详细叙述了试验的建模方法。对于试验中的刚性地基和柔性地基条件 ,El- centro波、Taft波和 5 0年超越概率为 10 %的南京人工波等三种地震波输入 ,三个加速度峰值水平 0 .1g、0 .2 g、0 .3g及两个水平向地震波输入的各种组合工况均进行了计算。在数值计算中 ,假设地基土为覆盖于基岩上的半无限粘弹性水平成层土 ,采用等效线性模型考虑土的动力非线性的影响 ;上部结构用三维杆系有限元单元模拟 ,楼板用四结点壳单元模拟 ,每个结点有三个平动自由度和三个转动自由度 ,模型试验中所施加的人工质量均匀分布于壳单元上 ;基础视为平板基础 ,用八结点块体单元模拟 ,每个结点有三个平动自由度。将试验结果与计算结果进行对比较 ,结果表明 :计算所建立的模型较好地模拟了相互作用体系在地震荷载下的反应性状 ,计算结果与试验结果吻合较好 ,SSI效应对结构地震反应有很大影响     

侧向冲击荷载作用下钢骨混凝土柱抗冲击性能研究

为研究侧向冲击作用下钢骨混凝土柱抗冲击性能,基于非线性有限元软件MSC.MARC建立了钢骨混凝土柱抗冲击数值模型。对钢管混凝土柱和钢筋混凝土柱在落锤冲击作用下的抗冲击试验进行了有限元模拟,分析表明该数值模型可以较好的模拟钢管混凝土柱和钢筋混凝土柱抗冲击性能。基于此数值模型研究了侧向冲击作用下钢骨混凝土柱的抗冲击性能,并探讨了冲击质量、冲击高度、冲击位置、轴压比、钢筋及H型钢强度和混凝土强度对钢骨混凝土柱抗冲击性能影响。最后对比分析了钢筋混凝土柱、钢骨混凝土柱和内插双H型钢钢管混凝土柱的抗冲击性能。结果表明:所探讨的影响因素对钢骨混凝土柱的冲击力峰值、平台值、持时和挠度都有各自影响的规律,可以为其他构件抗冲击性能分析提供依据。在相同尺寸和试验条件下,钢骨混凝土柱的抗冲击性能优于钢筋混凝土柱,但差于内插双H型钢钢管混凝土柱。     

建筑风载数值模拟的影响因素

通过对建筑物周围风场的计算流体动力学(CFD)模拟计算与原型试验结果的比较,分析了在应用CFD计算时应该考虑的计算区域、进口边界条件、湍流模型和网格划分等各种相关因素对CFD数值模拟结果准确度的影响.结果表明,在各种影响因素中,计算区域影响相对较小,而进口边界条件、网格划分和湍流模型的影响相对较大;而且进口边界条件中速度分布对计算结果的影响大于湍流强度分布对计算结果的影响,是进口边界条件中的关键部分.同时,根据上述比较,建议在网格划分中,对几何外形简单的单个建筑的数值模拟计算,优先采用结构化网格划分方法;对于湍流模型的选择,一般的工程应用中,建议在初步设计阶段选择RNGκ-ε湍流模型,而在最终设计阶段采用雷诺应力模型.