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。     

覆盖层上土石坝非线性动力响应分析的地震波动输入方法

较多已建和待建的土石坝直接修筑于覆盖层上,合理描述土石坝与覆盖层之间的动力相互作用对大坝抗震安全评价至关重要。基于等效荷载和人工边界的地震波动输入方法能较好地反映出结构-地基之间的相互作用并得到了广泛应用。等效荷载和人工边界参数在均质线弹性地基条件下易于获得,而对于覆盖层地基,土体动力非线性特性给求解带来很大困难。鉴于此,首先根据覆盖层侧向边界的位移模式,发展了能高效、精确地获取多向地震动垂直入射时均质或成层覆盖层自由场非线性动力响应的简化模型;结合能动态实时获取地基材料参数的非线性人工边界,发展了一套覆盖层上土石坝非线性动力响应分析的地震波动输入方法。算例表明,发展的地震波动输入方法可大大减小计算网格量,并能较好地反映覆盖层对地震动频谱特性的影响且具有较高的精度。     

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。     

P波作用下跨断层隧道轴线地震响应分析

基于近场波动有限元方法并结合黏弹性人工边界条件,针对3D断层场地,通过求解等效二维场地地震响应,从而获得3D场地地震动输入的自由场响应,并将自由场响应转化为3D模型边界面上的等效节点力,从而建立含断层3D场地P波入射的倾斜输入方法。自由场算例验证所提方法具有较好精度,进而基于建立的输入方法,开展了跨断层隧道地震响应的数值模拟研究。数值模拟结果表明:在P波作用下,隧道跨断层部位处于拉、压、剪切的复杂受力状态,且断层处的隧道衬砌地震响应明显大于其他部位的地震响应;围岩的力学性质与断层的力学性质相差越大,断层处衬砌的地震响应放大越明显;断层处衬砌地震响应随断层深度的增加而增加。另外,跨断层隧道的地震响应受P波入射角度的影响较大,随P波入射角度的增加,断层处隧道衬砌的轴力、弯矩先增加后减小,而剪力具有逐渐减小的规律。     

透射边界-地基-风电结构地震响应与破坏模式

近海风力发电结构是由无限域地基、基础及上部结构组成的体系,有限域透射人工边界和地震动输入模式直接影响结构体系的动力响应。首先,建立透射人工边界-地基-基础-塔筒结构和固定边界-地基-基础-塔筒结构的有限元模型;然后,简要澄清了透射边界地震动输入之所以采用外力而不采取地震动物理量（加速度、速度和位移）的原因所在;最后,对给出的3种作用模式：（1）固定边界地震动输入,（2）只考虑外源输入波作用,（3）同时考虑外源输入波和内源振动的散射波作用,分别进行计算分析和比较。通过数值计算并结合理论分析,（1）澄清了对透射边界采用外力进行地震激励输入的方法的原因,这种输入方法合理可靠,符合实际情况;（2）在地震波等效荷载的生成中,针对圆形横截面地基提出了一种阻尼力、刚度力的便捷性生成方法,大大减小了工作量;（3）从自身振动特点及阻尼设置角度,解释了地震作用下采用透射边界比采用固定边界时风电结构响应减小的原因;（4）指出了地震作用下透射边界地基模型在结构动力响应与倒塌计算中内源振动反射的不容忽视性。     

颗粒离散单元法动力人工边界设置方法

采用颗粒离散单元法进行动力计算时,人工截断边界上需设置吸收边界条件,以防止波的反射。鉴于颗粒离散单元数值计算模型的人工边界上颗粒单元半径大小不一、边界面凸凹不平,在连续介质的黏性、黏弹性、自由场边界条件方程基础之上,推导出适用于离散介质的等效方程。在离散介质的黏性边界条件等效方程中引入微调系数,提出比值迭代法以快速确定其最优值,以实现对波的最佳吸收。采用二维颗粒离散单元计算软件PFC2D,分别建立黏性、黏弹性、自由场边界条件相关数值分析模型,探讨颗粒分布模式对黏性边界上颗粒单元半径、速度分布及比值迭代过程的影响;采用外源波动算例及经典Lamb问题算例验证黏弹性边界设置方法的正确性;通过隧洞算例检验提出的自由场边界条件设置方法的正确性。     

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。     

多点、多向地震作用下非圆弧滑面边坡稳定分析通用条分法

在地震边坡稳定性分析当中,往往采用单点地震动输入,但实际地震动是随着时间和空间变化的。为了研究边坡在多点、多向地震作用下的稳定性,地震动输入采用考虑地震动的空间时间变化特性的人工合成多点、多向地震动,并将之转化为作用于边坡上的多点、多向地震荷载,在陈祖煜院士所提出的通用条分法的基础之上,推导了适用于任意形状滑面、即满足力的平衡又满足力矩平衡的多点、多向地震作用下边坡稳定通用条分法的极限平衡微分方程,并给出了求解动力安全系数的方法,通过两个算例验证了方法的可行性。     

基于散度和旋度的弹性波波场分离数值模拟方法

弹性波波场分离数值模拟方法是研究混合波场中纯纵波和纯横波波场传播规律的一种重要手段,通常采用算子分裂来实现,这不但增加了计 算量,而且还浪费了大量计算时间。因此提出了基于散度和旋度的弹性波波场分离数值模拟新方法,仅依赖于交错网格来计算出散度场（纯纵波） 和旋度场（纯横波）,从而提高计算效率。在人工截断边界处采用完全匹配层吸收边界条件（PML）。数值模拟结果表明,该方法能够从混合波场中 准确地分离出纯纵横波波场,且精度高,边界吸收效果好,计算速度快,计算过程稳定,可用于指导实际多波多分量地震资料处理,同时指出本文 算法对相互耦合的波型（如面波）无法实现准确分离。     

隧道围岩结构地震动稳定性分析的动力有限元强度折减法

为了得到隧道围岩结构的地震动安全系数,借助通用有限元软件ANSYS,首先对水平地震作用下的模型进行模态分析,得到质量阻尼系数和刚度阻尼系数;其次由静力分析模型得到竖向边界上的水平向支座反力,然后将结构自重转化为温度边界条件,通过热分析得到模型各节点的温度,从而实现在动力分析中考虑重力的影响;最后采用悬臂梁动力分析模型,导入热分析获得的模型各节点的温度,并在竖向边界上施加水平向支座反力,通过不断折减围岩塑性区的凝聚力c和内摩擦角?,直到计算不收敛为止,从而得到隧道围岩结构的地震动安全系数。数值算例结果表明：采用的方法是可行的,将围岩结构自重转化为节点温度的措施解决了以往动力分析不能考虑结构自重的难点,进而为以后地震作用下隧道动力安全系数的计算及其工程应用提供了理论依据。     

三维黏弹性介质人工边界研究

为了得到适于分析非线性结构-地基相互作用问题的人工边界,结合弹性波理论与黏弹性理论,推导出了适于模拟三维黏弹性远场介质辐射阻尼的人工边界,并对其模拟远场地基辐射阻尼的性能及相应地震波动输入方法进行了研究。结果表明：在结构-地基动力相互作用问题中,得到的黏弹性人工边界模拟计算域外远场黏弹性介质的辐射阻尼具有理想精度;不论是简谐波还是非简谐波,地震波动输入都取得了理想结果;在黏弹性介质条件下自由地表处的总场位移幅值n是输入波幅值的 倍。     

Boundary setting method for the seismic dynamic response analysis of engineering rock mass structures using the discontinuous deformation analysis method

Large deformations and discontinuous problems can be calculated using the discontinuous deformation analysis (DDA) method by solving time steps, and this method is suitable for simulating the seismic dynamic response of engineering rock mass structures. However, the boundary setting must be carefully analyzed. In this paper, four boundary settings for the DDA method are investigated. First, the contributions to the DDA equations for nonreflecting boundaries (including the viscous boundary and the viscoelastic boundary) are deduced based on the Newmark method. Second, a free‐field boundary is introduced in the DDA method with boundary grid generation and coupling calculation algorithms to accurately simulate external source wave motion, such as earthquakes. Third, seismic input boundary treatments are intensively examined, and the force input method is introduced based on nonreflecting boundaries. Finally, the static‐dynamic unified boundary is implemented to ensure consistent boundary transformation. The boundary setting method in the DDA method is discussed, and the suggested treatments are used to analyze the seismic dynamic response of underground caverns. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

流体饱和两相多孔介质动力反应计算分析

基于流体饱和两相多孔介质的弹性波动方程组,运用显式逐步积分格式与局部透射人工边界相结合的时域显式有限元方法对该波动方程组进行求解,对两相介质在输入地震波作用下的弹性动力反应进行计算和分析;对在是否考虑孔隙流体渗流的两种情况下计算得到的两相介质弹性动力反应结果的差异进行对比研究,从而揭示孔隙流体渗流对两相介质动力反应性质的影响。计算结果表明：两相介质弹性动力反应时程的波形与入射地震波的波形相同,且弹性动力反应的峰值出现的时刻对应于入射地震波的峰值出现的时刻;孔隙流体的渗流将对两相介质的弹性动力反应性质产生显著的影响。数值计算同时表明,时域显式有限元方法是进行流体饱和两相多孔介质弹性动力反应计算分析的一种有效的方法。     

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.     

地震作用下邻近地裂缝带地铁隧道工程场地地表沉降研究

为了探讨地震和地裂缝耦合作用下位于地裂缝上盘的地铁隧道顶部地表沉降规律及其对附近建筑物的影响,以邻近穿越地裂缝场地的西安地铁3号线为工程背景,利用FLAC3D有限差分软件,结合理论分析,对西安人工地震波、El Centro波和Kobe波三种不同地震波作用下邻近地裂缝带地铁隧道建设场地地表沉降问题进行了研究。结果表明:地震作用下,隧道顶部一定范围内的地层沉降量显著大于其周围地层,形成宽度约9~16 m的沉降凹槽;El Centro波作用下沉降凹槽的宽度最大,约15.9 m,超越概率为10%的西安人工合成地震波次之,约11.6 m,而Kobe波作用下沉降凹槽的宽度最小,约9.5 m;隧道上覆地层沉降凹槽的沉降规律符合peck公式;隧道顶部约20 m范围内场地地表受地震和地裂缝耦合作用影响最强烈,沉降最大。