A non-reflecting boundary condition for the finite element modeling of infinite reservoir with layered sediment

The design of seismic resistant concrete gravity dam necessitates accurate determination of hydrodynamic pressure developed in the adjacent reservoir. The hydrodynamic pressure developed on structure is dependent on the physical characteristics of the boundaries surrounding the reservoir including reservoir bottom. The sedimentary material in the reservoir bottom absorbs energy at the bottom, which will affect the hydrodynamic pressure at the upstream face of the dam. The fundamental parameter characterizing the effect of absorption of hydrodynamic pressure waves at the reservoir bottom due to sediment is the reflection coefficient. The wave reflection coefficient is determined from parameters based on sediment layer thickness, its material properties and excitation frequencies. An analytical or a closed-form solution cannot account for the arbitrary geometry of the dam or reservoir bed profile. This problem can be efficiently tackled with finite element technique. The need for an accurate truncation boundary is felt to reduce the computational domain of the unbounded reservoir system. An efficient truncation boundary condition (TBC) which accounts for the reservoir bottom effect is proposed for the finite element analysis of infinite reservoir. The results show the efficiency of the proposed truncation boundary condition.     

基于动力子结构方法的场地地震反应分析方法

本文验证了将约束子结构法引入到复杂场地地震反应分析的可行性,并在此基础上提出了两种进一步提高计算效率的简化措施。结合土层有限元模型的自身特点,提出了标准子结构的概念,通过设置标准子结构,可减少相同子结构的重复计算。基于约束子结构本身的性质,假定土层计算区域为局部非线性,可简化等效线性化分析过程,通过数值试验给出了局部非线性区域的取值范围。算例表明,上述简化措施在提高大规模复杂场地地震反应分析计算效率方面具有显著的优势。     

基于UPFs的珊瑚岛礁场地地震反应分析方法研究

合理且高效地模拟珊瑚砂非线性动力特性、远场无限地基辐射阻尼以及海域岛礁动水压力的影响是进行珊瑚岛礁抗震安全分析的关键技术问题.以通用有限元软件ANSYS为研究工具,基于UPFs二次开发灵活性的特点,建立了适用于珊瑚砂地基条件下的岛礁场地地震反应分析时域计算模型.通过创建一种新的珊瑚砂等价线性单元描述岛礁场地的非线性动力...     

考虑土-结构相互作用的高层建筑抗震分析

本文采用通用有限元程序ANSYS,针对上海地区一例土-箱基-高层建筑结构进行了三维有限元分析,计算中土体的本构模型采用等效线性模型,利用粘一弹性人工边界作为土体的侧向边界,并研究了土体边界位置、土性、基础埋深、基础形式以及上部结构刚度等参数对动力相互作用体系动力特性及地震反应的影响。     

A seismic free field input model for FE-SBFE coupling in time domain

A seismic free field input formulation of the coupling procedure of the finite element (FE) and the scaled boundary finite-element (SBFE) is proposed to perform the unbounded soil-structure interaction analysis in time domain. Based on the substructure technique, seismic excitation of the soil-structure system is represented by the free-field motion of an elastic half-space. To reduce the computational effort, the acceleration unit-impulse response function of the unbounded soil is decomposed into two functions; linear and residual. The latter converges to zero and can be truncated as required. With the prescribed tolerance parameter, the balance between accuracy and efficiency of the procedure can be controlled. The validity of the model is verified by the scattering analysis of a hemi-spherical canyon subjected to plane harmonic P, SV and SH wave incidence. Numerical results show that the new procedure is very efficient for seismic problems within a normal range of frequency. The coupling procedure presented herein can be applied to linear and nonlinear earthquake response analysis of practical structures which are built on unbounded soil. Supproted by: the National Key Basic Research and Development Program under Grant No. 2002CB412709     

斜入射条件下地下结构时域地震反应分析初探

通过采用平面波和远场散射波混合透射的应力人工边界条件,得到了地震波斜入射的解析方式,以此为基础建立了地震波斜入射条件下,土体与地下结构动力相互作用的时域计算分析模型。以实际建设的南京地铁某车站结构为研究对象,应用大型通用有限元分析软件ANSYS,进行了地震波斜入射条件下地下结构时域地震反应的计算和分析。初步结果表明:在地震波斜入射的情况下,地下结构的动力反应与地震波垂直入射时有较为明显的差异。     

考虑强震激励的某核岛厂房非岩性地基不同处理方案的对比研究

如何选取非岩性地基的处理方案对于不满足抗震适应性要求的核岛厂房地基而言具有重要的工程实用价值。结合国内某内陆核电不符合抗震适应性要求的实际厂址条件,给出地基处理方案评价的数值计算模型及分析过程。首先针对该核电工程实际项目,提出嵌岩桩、CFG桩及水泥土搅拌桩三种地基预处理方案,并以规范法验证处理后地基的承载力要求;进而通过建立非岩性地基条件下的桩-土-结构动力相互作用计算模型来综合考虑各方案对核岛厂房的地震响应影响,其中通过引入黏性人工边界和能量传递边界模拟无限地基辐射阻尼效应,采用等效线性法描述近场地基非线性特征,并基于上述有限元模型以全耦合方式考虑群桩效应的影响;最后从满足厂址地基适应性和经济效益两方面进行综合评价,给出针对本工程的最佳设计方案。该分析方法及研究成果可为类似条件下的核岛厂房非岩性地基处理方案的比选问题提供借鉴与参考。     

基于混合波场地震动输入技术的近海场地地震反应分析方法

基于人工边界子结构模型,提出一种利用混合波场实现近海场地中地震P波和SV波垂直输入的方法.该方法中用于波动输入的混合波场由计算模型两侧截断边界的自由波场和底面边界的入射波场构成,避免了不规则近海场地的自由波场求解.同时采用基于声流体单元的流固耦合算法模拟场地-海水动力相互作用,利用流体介质人工边界和黏弹性人工边界单元模...     

无限元法在深覆盖层土石坝动力分析中的应用

以复杂地质条件的西藏高原地区旁多水电站实际工程为背景,探讨了有限元法与无限元法在深覆盖层悬挂式防渗墙土石坝结构非线性动力分析中的差异,分析和比较了无限元法和有限元法在西藏高原旁多水电站土石坝结构三维模型地震动响应的计算结果,验证了引入无限元法模拟西藏高原地区地基中复杂地质条件下的无限域或半无限域问题的可靠性和精确性。结果表明:在西藏高原地区复杂地质条件下,无限元法相比有限元法能量弥散现象较为明显。通过分析得到了西藏高原具有深覆盖层坝体结构地震动响应的规律性分析结果,为无限元法在西藏高原地区此类工程中的应用提供参考。     

盾构隧道横断面地震响应分析

随着盾构法在隧道施工中越来越广泛的应用,盾构隧道横断面抗震性能的研究日益受到业界关注。以武汉长江隧道为例,对土体采用D-P本构模型,盾构隧道结构采用梁-弹簧模型,建立盾构隧道横断面二维模型进行动力有限元计算,该模型顶部采用自由边界,侧面采用自由场边界,底部采用静态边界。选用0.1g的天津波和场地人工波作为激励,研究了盾构隧道结构的加速度、变形和内力响应。结果表明：盾构隧道的拱顶与拱底的加速度响应大于隧道左侧、右侧;隧道拱底的绝对位移响应最大;地震作用对隧道衬砌结构的内力增量较为明显。目前的隧道结构设计可以满足结构抗震性能要求。     

考虑地基不均匀性核反应堆地震响应分析

核电站结构地震响应主要取决于地震动特性、地基土特性以及结构特性.本文以某核电站反应堆厂房结构为对象,研究了考虑土-结构相互作用的不均匀地基土对核反应堆地震响应的影响,包括核反应堆和地基的最大加速度、楼层最大相对位移以及楼层多阻尼反应谱.结构地震响应分析使用SUPERFLUSH/2D软件,地基模型由ANSYS建模;核反应...     

Seismic soil–structure interaction of massive flexible strip-foundations embedded in layered soils by hybrid BEM–FEM

A study on the seismic response of massive flexible strip-foundations embedded in layered soils and subjected to seismic excitation is presented. Emphasis is placed on the investigation of the system response with the aid of a boundary element–finite element formulation proper for the treatment of such soil–structure interaction problems. In the formulation, the boundary element method (BEM) is employed to overcome the difficulties that arise from modeling the infinite soil domain, and the finite element method (FEM) is applied to model the embedded massive flexible strip-foundation. The numerical solution for the soil–foundation system is obtained by coupling the FEM with the BEM through compatibility and equilibrium conditions at the soil–foundation and soil layer interfaces. A parametric study is conducted to investigate the effects of foundation stiffness and embedment on the seismic response.     

地震作用下场地有限元建模时底部边界条件的影响

用有限元方法对场地进行地震反应分析时需将半无限域的场地有限化。本文针对底部人工边界的设置,采用滞回阻尼假设,推导了同时包含辐射阻尼和材料阻尼的均质场地地表位移放大系数解析式,进而研究了材料阻尼和辐射阻尼的变化对放大系数的影响。有限元建模时相当于忽略了辐射阻尼,计算误差会随着所分析场地阻抗的增加而逐渐增大,在共振区附近,忽略任一种阻尼的影响,都将显著地高估地表动力反应;远离共振区,阻尼的影响会迅速衰退。本文提出了通过增加场地材料阻尼来弥补所忽略的辐射阻尼的思路,并给出了有限元建模时考虑辐射阻尼后新的材料阻尼的确定方法。     

水平成层场地地震反应非线性分析

本文首先推导了李小军积分格式(中心差分与Newmark平均加速度法相结合)的增量形式,并据此离散动力平衡方程,同时,采用Pyke提出的土动力本构模型以及多次透射人工边界条件,提出了一种水平成层场地地震反应非线性分析的显式有限元方法,并据此编制了计算机程序。数值实验表明,这种方法能较好地模拟土层在强地震作用下的非线性特性。     

水平成层场地地震反应的集中质量切比雪夫谱元分析方法

提出了一种用于水平成层场地地震反应分析的时域高阶显式算法. 首先,将覆盖土层和基岩划分为若干个切比雪夫谱单元,在模型底部设置多次透射人工边界;其次,以切比雪夫正交多项式构建高阶单元位移模式,通过高斯?洛巴托积分严格导出对角形式的切比雪夫谱单元集中质量矩阵,结合中心差分时域逐步积分格式,建立了高效的集中质量切比雪夫谱元波动模拟方法;最后,利用日本Kik-net强震台网提供的不同类型场地上获得的实际地震观测记录检验了本文方法的有效性. 该方法避免了传统切比雪夫谱元法由于具有一致质量矩阵形式而造成的计算效率不高的问题。数值结果表明,本文方法能够较好地预测Ⅰ₁,Ⅱ和Ⅳ类场地在较弱地震和中等强度地震作用下的地面运动特征,每个波长内仅需布置少量单元即可取得较高精度的计算结果。      

Boundary element reservoir model for seismic analysis of gravity dams

The boundary element method has been successfully applied in the past to the analysis of hydrodynamic forces in two- and three-dimensional finite water reservoirs subjected to seismic ground motions. In extending the method to an infinite reservoir, the loss of energy due to pressure waves moving away towards infinity must be taken into account. In addition, for both finite and infinite reservoirs, energy is lost owing to partial absorption of the waves incident on a flexible bottom consisting of alluvial deposits. This paper presents the results of more recent research on the application of the boundary element method to the analysis of 2D reservoir vibration. Two different formulations are used: a constant boundary element formulation and a linear boundary element formulation. Special boundary conditions to treat infinite radiation and foundation damping have been incorporated in both formulations. Numerical results have been obtained for each of the two alternative formulations and compared against each other as well as with classical solutions and results obtained by other researchers.     

级配砂石地基条件下核安全级廊道结构地震响应分析

级配砂石处理核安全级廊道结构的软弱地基有良好的发展前景,发展级配砂石地基条件下的廊道地震响应分析模型是评价其抗震安全性的关键问题。以某核电厂废液输送机排放廊道为研究对象,通过引入等价线性法描述近场级配砂石地基的非线性特征,在分析模型底部施加黏性边界模拟半无限空间,在截断边界的两侧施加黏性边界考虑波动的逸散效果,通过无厚度Goodman单元模拟廊道结构与周围地基的摩擦效应,并利用基于有限元法的自由场响应分析实现地震动输入,从而建立了级配砂石地基条件核安全级廊道结构地震响应分析计算模型。最后,通过开展级配砂石与回填素混凝土两种地基处理条件的廊道地震响应对比分析,该模型表现出良好的规律性及工程应用效果。研究成果可为在建项目、后续核电项目此类问题的地基处理提供借鉴与参考。     

分析土和结构相互作用的一种实用耦合方法

提出一种新的数值解与解析解耦合的理论和计算方法,研究土-结构相互作用(SSI)体系的地震动力响应。采用大型有限元软件OpenSees模拟复杂结构的非线性行为,用等效线弹性频域内解析解模拟地基土的行为,使用时域离散递归方法将频域内的解析解转化到时域内,再通过子结构边界上力和位移的协调条件来求解。二者之间的耦合和实时数据交流通过CS集成方法来实现。以一个单自由度算例和一个实际工程为例,验证此方法的精度、稳定性和工程实用性,对比在考虑和不考虑SSI体系情况下结构动力响应的区别。本文所提的耦合SSI计算方法和部分研究成果可为工程设计人员提供参考。     

二维场地地震反应有限元分析的问题探讨

本文通过数值计算,在线弹性范围内初步分析了土层地震反应随不同侧向人工边界、有限土域取值范围、土介质的阻尼系数的变化情况;采用滞后阻尼假定,探讨了在土层时域分析中如何由滞后阻尼系数形成阻尼矩阵,给出了一个阻尼系数转换频率取值的经验公式。在此研究基础上编制了二维有限元SR2D计算程序。