黏-弹性人工边界在双江口土石坝动力分析中的应用

应用黏-弹性人工边界于双江口土石坝的动力响应分析中,考察了黏-弹性人工边界及地基辐射阻尼效应对土石坝动力响应的影响程度。计算果表明,该方法比传统的固定边界无质量地基下的大坝加速度动响应结果降低了15%~30%,在土石坝的动力响应分析中应当予以重视。     

不同边界和地基条件的大型滑坡体动力响应分析

动力有限元计算结果的真实性与模型边界条件的设置和地震波输入高程的选择有着密切的关系。采用动力有限元时程分析法对不同边界和地基条件的大型滑坡体进行了数值计算,在此基础上分析了地基辐射阻尼和地震加速度输入高程对滑坡体动力响应的影响,以及大型滑坡体的地震响应规律。结果表明,上田镇大型滑坡体在动力作用下上部的位移响应值大,剪应力小,而下部则相反;黏弹性边界能有效地降低滑坡体的地震反应,而且地震输入高程的不同对滑坡体的地震响应会产生相当大的影响,地基辐射阻尼和地震波输入的模拟合理性直接影响滑坡体动力分析的客观性。     

基于静动力有限元的边坡抗震稳定分析方法

由人工截断边界输入地震波,通过时程积分法确定地震荷载作用下边坡的应力和变形,在人工截断边界上采用黏-弹性人工边界条件模拟地基辐射阻尼的影响。采用有限元强度折减法求解边坡稳定安全系数,以塑性区贯通时刻特征点的位移突变作为边坡失稳的评判标准。非线性有限元和黏-弹性人工边界条件结合运用,建立了基于静动力有限元的边坡抗震稳定分析方法。该方法在稳定安全系数的定义上和传统的刚体极限平衡法是一致的。以十里铺水电站为工程实例,分析了库区边坡的抗震稳定性,得出了边坡动力位移时程和动力稳定安全系数,计算结果合理评价了实际工程在地震荷载下的稳定性。     

三维黏弹性人工边界地震波动输入方法研究

对三维黏弹性人工边界给出了一种实用的地震波动输入方法。用等效边界力法进行地震波动输入时,把入射地震波假设为竖直向上入射的平面波,使施加在人工边界上的总荷载可以由输入波位移和速度的关系式完全表达,使地震动输入更容易在有限元计算程序中实现。解决了三维黏弹性人工边界采用球面波进行地震波动输入会出现尚待确定的未知项,不易实现地震波动的输入的困难。数值算例表明,该地震波动输入方法是十分有效的。     

简谐波在黏弹性介质中波动传播的应力场研究

得到了简谐波在具有Kelvin模型黏弹性介质中的外行扩散波与内行入射波应力场表达式。将波动在介质中的传播分为外行扩散波与内行入射波两部分,先得到简谐波在弹性介质中波动传播时外行扩散波与内行入射波各自的应力场,结合弹性波理论与黏弹性理论,分别得到了波动在Kelvin模型黏弹性介质中外行扩散波与内行入射波两部分的应力场,并将外行扩散波与内行入射波两部分的应力场分别表示为外行扩散波与内行入射波位移与速度场的表达式,其结果有利于波动理论在黏弹性介质中的应用     

地基非线性波动问题中黏-弹性人工边界研究

建立了考虑地基动力非线性效应的波动模拟的二维和三维黏-弹性人工边界条件。引入考虑动力非线性特征的土体等效线性模型中的动模量变化模式,推导了新的平面内法向、平面内切向以及出平面切向的黏-弹性人工边界公式,同时也给出了新的三维法向、切向黏-弹性人工边界公式,并在实际应用中采用等效线性化方法处理,进行了数值算例分析,结果表明,新的黏-弹性人工边界具有更好的精度,可以用于地基非线性波动问题的研究。     

一维问题的等效远置动力人工边界条件

在土-结构动力相互作用分析中,黏性人工边界条件和黏弹性人工边界条件虽具有计算效率和精度较高的优点,但施加边界单元的工作量较大;远置边界虽然具有处理技术简单、精度高等优点,但又存在计算成本高的问题。为克服黏性人工边界和黏弹性人工边界施加边界黏弹性单元工作量大、远置边界计算成本高的缺点,基于波的传播理论和波在介质交界面上的反射、透射原理,通过设置完全透射层并大大降低波在透射层的传播速度的方法,提出了一种等效远置动力人工边界条件并对其进行数值验证分析。研究结果表明,所提出的等效远置动力人工边界条件仅需通过合理选取透射层的参数,即可实现反射波向无限地基传播的模拟,具有精度和效率较好、不需施加边界单元工作量等优点,可应用到土-结构动力相互作用分析当中。     

结构-地基动力相互作用的时域模型

结构-地基动力相互作用是结构地震响应分析及安全评估的一个非常重要课题。基于比例边界有限元法,提出了一种新颖的结构-地基动力相互作用的时域模型,即采用比例边界有限元子域模拟近场有限域部分,采用高阶透射边界模拟远场无限域部分。通过采用连分式展开和引入辅助变量,有限域的动力方程采用高阶的静力刚度矩阵和质量矩阵表示。高阶透射边界精确满足无限远处的辐射边界条件,具有全局精确、时间局部和收敛速度快等优点。它是基于改进的连分式法求解无限域动力刚度矩阵而建立的,在时域里表示为一阶常微分方程组。通过联立有限域和无限域的运动方程,建立了结构-地基相互作用的标准动力学方程,采用Newmark法可直接求解。3个算例结果表明,该算法在时域里比黏弹性边界更精确、有效。     

Kelvin—Voigt黏弹性介质地震波场数值模拟与衰减特征

利用高阶交错网格有限差分模拟Kelvin-Voigt黏弹性介质中传播的地震波,同时将完全匹配层吸收边界条件引入到其边界处理中。数值模拟结果表明,完全匹配层吸收边界效果好,高阶有限差分能模拟得到的黏弹性介质波场精度较高。对模拟的黏弹性波场进行分析,表明介质的粘滞性使地震反射波的能量变弱,高频衰减明显,并比低频衰减得快,主频向低频方向移动,有效频带变窄,即降低了地震波的分辨率;并且反射转换波比反射纵波要衰减得快;而且还随着传播距离的增加,其峰值频率也逐渐降低。通过数值模拟分析具有不同的粘滞系数介质对地震波的吸收和衰减,结果表明随着粘滞系数的增大,地下介质对地震波的吸收衰减更明显。     

土层随机地震反应分析中侧向边界的影响分析

研究了随机地震激励下土层地震反应及土-结构相互作用分析中有限土域的取值范围对计算精度的影响。分别以基岩白噪声谱和杜修力修正基岩谱作为输入,进行了土层随机地震反应分析,探讨了自由边界、固定边界和黏弹性边界3种人工边界条件下土域的取值范围、土介质阻尼和土体长深比（L/H）对土层随机地震反应的影响,给出了侧向人工边界合理位置的具体建议。在此基础上,选取土体的合理边界范围,建立土-结构相互作用分析模型,分别以基岩白噪声谱、杜修力修正基岩谱以及实测地震波功率谱作为输入,进行了土-结构相互作用体系随机地震反应分析,计算结果验证了侧向人工边界取值在土-结构相互作用体系随机地震反应分析中的有效性。     

ABAQUS动力无限元人工边界研究

针对动力场天然无限地基的数值模拟与地震波输入问题进行了一些有意义的研究,评述了现有动力计算常用无限元的优缺点,详细阐述了ABAQUS无限元理论体系框架,并加以改进,提出一种考虑外域地震动影响的ABAQUS动力无限元人工边界。采用等效边界力的叠加原理,对入射波和散射波分开处理,视入射波和散射波在边界上互不影响,将输入地震动转化为作用于有限元无限元交界面上的等效应力的方法来解决外源波的入射问题。算例验证结果表明：内源振动和固定边界会出现失真和扰动现象,同时该计算结果与黏弹性边界的计算结果对比可知,该方法对外行散射波的过滤作用优于黏弹性边界。因此,改进的ABAQUS动力无限元人工边界理论方法有效且具有一定的稳定性。     

考虑饱和土的地铁车站结构非线性地震反应研究

饱和土广泛存在于自然界之中,将土体视为固－液二相介质,基于biot饱和土介质动力方程的u-p形式研究了反映饱和土无约束域能量辐射效应影响的等效黏弹性人工边界单元,基于地震波转化为作用于人工边界节点上等效荷载的方法实现了波动输入。采用算例验证了等效人工单元的精度。建立饱和土-地铁车站非线性有限元整体模型,分析了考虑双相介质饱和土的波动传播,对比了饱和土及单相土在地震作用下地铁车站的地震反应,并与振动台试验结果进行了比较,研究表明：地震作用下采用考虑多孔介质的特性分析地基土与单相固体介质相比更加合理。通过对车站结构关键构件的加速度、位移和内力等进行分析,研究了饱和土－地下结构相互作用体系的地震反应。     

An approximate spring–dashpot artificial boundary for transient wave analysis of fluid-saturated porous media

Practical civil engineering problems are usually formulated in an infinite half-space domain, and a selected finite domain is required to analyze the dynamic responses of a fluid-saturated porous medium by the finite element method (FEM). Devising a method to deal with the boundaries of the finite domain is the key issue for this open system. In this paper, a two-dimensional spring–dashpot artificial boundary (SDAB) for transient analysis in a fluid-saturated porous media is developed. Based on Biot’s dynamic theory of fluid-saturated porous media, the normal and tangential boundary stress formulae are deduced for out-going cylindrical body waves. The boundary stress is proportional to displacement and velocity, thus continuously distributed dashpots and springs can be placed on the artificial boundaries in the normal and tangential directions to simulate the energy absorption of the infinite media outside of the finite domain for the interior distributed source problems. In this paper, the input seismic motion can be realized by applying an equivalent load on the SDAB for the seismic scattering problems of exterior distributed sources. Numerical examples are given and the analyzed results show that the SDAB and the method of wave motion input have good stability and acceptable accuracy.     

考虑辐射阻尼的土-结构相互作用体系等效输入

为考虑土-结构相互作用对输入地震波的影响,基于两步法思想,建立了考虑辐射阻尼效应的等效输入地震波。在该种方法中,将单自由度体系的基础地震反应为上部结构的输入,然后用状态空间法计算考虑土-结构相互作用后体系阻尼比的变换情况,用以修正上部结构的阻尼系数,从而利用刚性基础的反应近似计算土-结构相互作用的影响。对一个单自由度体系和一个5层框架结构进行计算分析,算例分析表明,直接利用自由场的地震波或基岩波作为上部结构的输入,计算误差甚至超过100%,而两步法可使体系的计算误差小于10%,采用修正阻尼系数的两步法,误差将小于5%,满足工程需要。