深水悬臂桥墩动力特性及地震响应分析

利用ADINA中的势流体单元对一已建成的深水高墩建模,桥梁上部结构对桥墩的影响以墩顶集中质量的形式体现,分别对不同水深条件下桥墩-水体系的动力特性和地震动响应进行了系统的求解;为了检验Morison方程在深水桥墩动力分析中的有效性,将基于忽略速度力项的Morison方程的计算结果与基于势流体的结果进行了比较。研究结果表明：①水体对结构的自振频率折减影响随着水深的增大而增大,基于Morison方程得到的结构频率的影响大于势流体模型;②水深对墩顶位移的影响比加速度明显,墩底剪力受水深的影响大于其对墩底弯矩的影响;③考虑上部集中质量的影响,结构的响应会不同程度地减小;④相对于势流模型,忽略速度项的Morison方程所得到的结构动力反应略显保守。     

墩-水耦合计算模式及深水桥墩动力响应研究

为了研究地震作用下动水压力对深水桥墩的影响,以声波动理论为基础,通过对流体域边界条件的简化和流体域范围的探讨,建立了一种改进的墩-水耦合有限元模型,并提出了常用深水桥墩的理想流体域范围图。分别讨论了深水桥墩在简谐荷载、地震荷载作用下的动力响应,结果表明:动水压力增大了桥墩的动力响应,增幅在20%到50%之间,不可忽视;当桥墩基频越接近简谐荷载激励频率或地震波主频有效带宽区间时,动水压力的影响越大。     

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,考察结构材料模量、水流流速和水位、激振频率和位移幅值等多种因素,分析了结构表面作用的动水压力反应特征以及水流动力效应,探讨了水流动力效应的主要影响因素。结果表明：考虑流固强耦合作用时,结构表面作用的动水压力及其分布具有强烈的频率依赖性,高频激励可显著增强动水压力作用;由于结构周围流体具有一定的粘滞性及动载作用下具有较强的辐射阻尼效应,水流动力效应对结构的位移、内力反应均有一定的抑制作用;激振频率、水流流速和水位以及结构材料模量等因素,对水流动力效应均有一定的影响。     

水域隧道地震响应分析

本文基于Biot动力固结理论和弹性动力学理论,考虑海床（土壤）的两相性、黏弹性人工边界及流（水）-固耦合作用,建立了隧道-土-流体相互作用的力学模型,讨论了P波作用下有无水的情况以及水深、水域隧道埋深、海床土性质和地震波入射角等因素对隧道及其周围海床应力的影响。结果表明:隧道周围海床土的孔隙水压力和隧道内应力随着水深的增加而增加;地震波特性和海床土特性对隧道的内应力和海床土的孔隙水压力均有较大的影响;海床土的渗透性和隧道埋深对隧道的内应力影响较小,而对隧道周围海床土的孔隙水压力影响较大;地震动的入射角对隧道的内应力和隧道附近土层的孔隙水压力均有较大影响。      

动水压力作用下深水桥墩非线性地震响应分析

为研究动水压力作用对深水桥墩地震响应的影响,本文分别采用Morison方程和辐射波浪理论建立了动水压力计算方法,分析了动水压力作用对桥墩地震响应的影响;同时分析了考虑材料非线性时动水压力作用对桥墩地震响应的影响。研究表明:动水压力作用增大了桥墩的地震响应,其影响随着相对水深的增加而增强;考虑材料非线性时动水压力对桥墩地震响应的影响,相对线性材料而言有所变化。     

核电结构PCS水箱液动压力分析等效模型

中国核电厂抗震设计规范推荐采用的Housner模型不适用于复杂形状核电储液结构的流固耦合分析。对于AP1000和CAP1400核电站屏蔽厂房顶部非能动安全壳冷却系统重力水箱(简称PCS水箱),基于圆柱形水箱的Housner等效质量-弹簧模型,通过引入水箱体积修正参数,提出PCS水箱的三维等效质量-弹簧模型。采用有限元软件ADINA建立水箱结构流固耦合整体有限元模型以进行模态分析,计算分析PCS水箱和对应环形水箱在不同尺寸和液体深度条件下的液体晃动自振特性。对比整体有限元模型与三维等效质量-弹簧模型计算结果发现,提出的PCS水箱三维等效质量-弹簧模型能给出其内液体晃动各阶振型的液动压力合理估计值,适用于具有复杂形状的PCS水箱液动压力分析。本文的等效模型方法可推广应用于其他复杂形状水箱的液动压力分析。     

水体质量对大型梁式渡槽横向抗震性能影响研究

通过对流固耦合动力作用简化方法的研究,用等效的弹簧-质量系统来模拟流体与渡槽结构的动力相互作用,并对某渡槽进行了多种地震波作用下的抗震性能分析,得到了大型梁式渡槽结构的自振特性、地震响应。结果表明:槽内大质量水体对渡槽的横向地震响应有较大的影响,若不考虑槽内的水体将低估渡槽的地震反应;但因水体的晃荡作用减小了水体自身的地震反应,若将水体视为刚体附加到槽体上将严重地夸大水的地震惯性力作用。     

混凝土重力坝整体动力特性研究

结合金安桥混凝土重力坝工程的抗震性能研究,对大坝按整体模型和分缝模型分别进行了动力试验。试验中考虑了横缝和动水压力的影响,得到了整个坝体空库、满库时的空间动力特性。并对大坝进行了三维有限元动力分析,与模型试验结果进行了比较,两者符合得较好。     

淤积泥砂对水平地运动作用时刚性坝面动压力的影响

文章基于固体介质，流体介质，液固两相饱和介质的时域显示有限元波动分析方法，研究了可压缩库水条件下淤积泥砂对水平地运动作用时刚性坝面上动压力的影响，研究中分析了作为两相介质处理的淤积泥砂的饱和度、厚度、渗透系数和孔隙率对坝面动压力的影响，还比较了作为流程两相介质，单相固体介质、单相重流体介质处理的不同淤积泥砂层模型间的计算结果差异。     

水下桩墩结构体系的动力模型试验研究

为了了解动水效应对桩墩结构体系的影响以及完善桥梁结构的抗震设计方法,进行了水下桩墩结构模型体系的动力试验.从模型设计、试验装置和加载工况3个方面介绍了试验的实施过程.通过观察模型破坏形态和分析试验结果,探讨了动水压力对结构体系动力特性和地震响应的影响并且检验了应用该动力模型试验研究的适用性.试验结果表明:模型在水中的自振频率比无水时有所降低;动水压力的大小与输入的加速度峰值有关并且在相同的峰值加速度下沿模型从上到下依次递增;试验结果满足预期目的,证实了试验方案的有效性.     

动水压力对深水桥墩地震响应影响的研究综述

地震激励下处于深水中的桥墩和周围水体的相互作用将对桥梁结构的动力响应产生较大影响。首先对地震作用下水-桥墩的相互作用理论做了概括,给出了动水压力对桥墩的作用效应及各自的适用范围;对主要的三种考虑流固耦合效应的分析方法做了对比,探讨了地震作用下影响水-结构相互作用的主要因素,并对今后的研究提出了建议。     

基于动水及桩-土-结构相互作用的斜拉桥地震响应分析

为了得到更为符合实际情况的跨江大桥动力稳定性的地震反应分析,在桥梁抗震研究中必须综合考虑动水及桩–土–结构的相互作用。基于此,结合某斜拉桥,采用基于Morison方程的动水力简便计算方法来模拟水对桥梁下部结构的动水压力,通过大型有限元程序Midas/Civil分别建立了没有考虑动水及桩土效应和考虑动水及桩土效应2种情形下的计算模型,通过输入El Centro波分析了动水及桩土效应对斜拉桥结构动力特性和地震反应的影响。分析表明:动水及桩土效应对斜拉桥动力特性和地震反应的影响较大,因此在对跨江斜拉桥结构进行抗震分析时,应考虑动水及桩土效应对其动力反应的影响。     

饱和南京细砂永久应变势模型的试验研究

土单元永久应变势的预测模型是土动力学的重要研究内容之一。现有的土单元永久应变势模型没有反映振动孔压增长的影响,难以合理解释地震动作用引起的饱和砂土地基永久变形一般是由土层软化或再固结变形所致的机理。基于饱和南京细砂永久变形动三轴试验结果的有效应力状态分析,研究了试样的永久变形与振动孔压增长的关系,建立了一个能反映振动孔压增长影响的土单元永久应变势模型,给出了土单元永久应变势的数学表达式,分析了土单元永久应变势模型参数的影响因素。初步的验证性试验表明:模型预测与试验测得的试样永久应变势与振动孔压增长曲线比较接近,说明该模型具有一定的合理性。     

考虑流-固耦合梁式矩形渡槽横向地震响应研究

根据豪斯纳尔（Housner）理论, 建立了考虑槽内水体与渡槽槽身流-固耦合的横向地震响应计算模型，分析了槽身断面深宽比变化对渡槽结构抗震的影响，并对某大型渡槽进行了多工况地震时程响应计算. 结果表明，在地震波作用下，渡槽槽内大质量水体对渡槽的横向地震响应有较大的影响， 但水体的晃荡作用有明显的TLD效应. 若将水体视为刚体， 质量全部附加到槽体上，将严重地夸大水的地震惯性力作用，且在渡槽槽身断面选择时应考虑深宽比对墩身地震响应的影响， 以减小地震力.      

大型矩形渡槽-水耦合体系的动力性能分析

本文把任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法用于分析大型矩形渡槽结构-水耦合体动力性能,并针对不同的水位、不同截面深宽比,研究渡槽结构在谐波激励、地震激励下的振动反应。研究表明,渡槽结构中水体的泼溅具有明显的非线性特征;渡槽中水位对耦合体动力特性影响极具规律性,但是随截面深宽比减小,水体振荡的非线性明显增强;渡槽结构截面深宽比选择合理,水体泼溅作用产生的倾覆力矩不会使槽体发生倾覆失稳,但是水体的大幅晃动产生的动水压力对渡槽槽身应力有显著的影响,在渡槽抗震设计中应给予足够重视。     

大型三维矩形、U形渡槽地震响应对比分析

本文应用任意拉格朗日-欧拉(ALE)有限元方法对比分析大型三维排架支撑矩形、U形渡槽结构地震响应,以获得渡槽中动水压力资料。研究表明,渡槽中水体的晃动幅度十分显著,水体的大幅晃动显著地改变两种截面形式渡槽中水压力、槽体应力值及U形渡槽动水压力和应力分布,对矩形渡槽动水压力和应力分布规律影响不大。动应力分布的改变直接影响到大型预应力U形截面渡槽结构中预应力钢筋的有效性。在渡槽的抗震设计中,应充分考虑U形截面渡槽动水压力和动应力分布变化问题,动水压力应该作为一项主要的外荷载予以考虑。     

饱和砂层抗震稳定分析的孔隙水压力方法

本文提出了一个广泛适用的饱和砂层抗震稳定分析方法。文中用有限单元和有限差分相结合的方法,计算出地震作用下饱和砂层中各点的动力孔隙水压力反应;又依据极限平衡理论,算出了各点的限界孔隙水压力,并将二者的比值作为稳定性和液化势的评价准则。本文提出的方法曾应用于我国若干重大工程的分析,得到了较好的效果。     

水深对水下地基场地地震动影响的时域分析

利用地震波斜入射下水下地基场地地震动分析的一维化时域算法,推导了平面P波入射下,水下地基场地的位移、加速度和应力表达式,重点分析了水深变化对位移峰值、加速度峰值、剪应力峰值和孔隙水压力峰值沿土层深度的分布规律。数值结果表明:同一土层深度处,当水深不超过1倍的土厚时,竖向位移峰值随水深的增大而增大;当水深超过1倍的土厚时,竖向位移峰值随水深的增大而减小。水平位移峰值与水深的关系基本上与竖向位移峰值相反。同一水深下,竖向位移峰值沿土深不断减小,水平位移峰值呈先减小后增加的趋势。同一水深下,竖向加速度峰值沿土深是一个不断减小的过程,水平位移峰值是一个反复增大和减小的过程。在0.75倍的土厚到基岩的范围外,水深对剪应力峰值的影响均较小。孔隙水压力峰值沿土深的分布大致是先减小再增加最后减小。     

考虑流-固耦合影响的挡水结构自振特性

对流体-固体之间的动力相互作用的问题，采用流体有限元法研究结构自振特性的影响。建立了流固耦合运动方程体系，并对耦合方程组的求解过程进行了推导与阐述。编制了流体有限元自动生成程序，使得流固耦合问题从建立模型到分析能够利用计算机自动实现。最后以挡水结构作为算例，分别就不同水位工况和水体采用不同长度模型对结构振动的影响进行了分析。     

考虑动水压力影响的单柱式桥墩地震反应分析

在Morison方程的基础上,用附加水质量法考虑动水压力对桥墩的影响,以单柱式桥墩为研究对象,以ABAQUS有限元软件为计算平台,建立了考虑桩-土动力相互作用的单柱式桥墩地震反应分析模型,考虑土体和桥墩混凝土的动力非线性特征,分析了地震动作用下动水压力对单柱式桥墩的墩顶相对墩底位移、加速度、剪力和弯矩反应的影响,并探讨了水位对单柱式桥墩地震反应特性的影响。结果表明:动水压力改变桥墩的地震反应特性,增大了桥墩顶部相对底部的位移、墩顶绝对加速度和墩底的内力,水位变化影响桥墩的地震反应特性。对于深水桥墩抗震设计计算,考虑动水压力效应、水位变化是有必要的。