粘弹性人工边界单元及地震动输入方法比较研究

本文引用一致粘弹性边界的概念,推导了与一致粘弹性边界等效的粘弹性边界单元,得到了粘弹性边界单元的刚度矩阵和阻尼矩阵。通过对比粘弹性边界单元阻尼系数不同取值的计算精度,给出了阻尼系数推荐取值。在输入地震动时,采用一种基于局部人工边界的子结构输入方法,实现了和波动法相同的输入效果,并且避免了复杂的应力计算和荷载作用方向判断等问题,应用更加方便。采用自由场的算例,比较了人工边界和不同输入方式的组合在SV波垂直入射时的模拟精度。为了说明边界单元的变形对计算结果的影响,提出了使用底边界输入位移幅值u_max和边界单元宽度b的比值ε=u_max/b作为变形指标,调节边界单元边长尺寸。通过算例给出了ε的推荐取值。最后,选取合适的ε后建立一个圆形孔洞散射场地模型,对散射场地模型的模拟结果验证了粘弹性边界单元和子结构输入方式应用于散射场地时仍具有较高精度。     

大型河谷场地地震动特性研究

采用有限差分方法,通过算例研究了大型河谷场地地震动特性分析中的人工边界的选取方法,对比分析了不同人工边界的选取对数值模拟结果的影响,确定了散射场地震反应分析输入边界的地震动输入方法,认为在进行有限差分动力计算时,模型两侧施加自由场边界的模拟效果要优于两侧施加粘性边界的模拟效果;同时,对FLAC计算软件进行二次开发,对2个地形差异较大的河谷场地,采用线性和非线性摩尔-库仑模型进行了地震反应对比分析,研究了河谷场地地震动幅值和频谱特性随地形变化的规律。模拟数据表明,河谷场地谷底处地震动基本无放大作用,地势凸起处放大作用则较为明显;当考虑土体非线性时,随着地震动强度的增加,放大作用逐渐减小;谱分析结果表明,地势凸起处受高频地震动的影响显著,而地势平坦的谷底则受低频地震动的影响显著。     

SH波入射时凸起场地的地形和土层放大效应

基于间接边界元法,首先采用Ricker波作为输入波,分别研究了SH波入射时均匀半空间凸起场地、两侧含覆盖土层的岩质凸起场地、匀质土质凸起场地、异质土质凸起场地的波传播特征,同时比较了凸起地形与土层对Ricker波的放大效应,研究表明,覆盖土层能增强场地对地震动的散射和反射效应并延长地震动持时,土层对地震动的放大效应比凸起地形对地震动的放大效应更为显著。在此基础上进一步以Taft波、El Centro波和天津波作为输入地震动,研究了异质土质凸起场地的地震响应,就本文所考虑的模型而言,这3种地震动输入下得到的凸起场地对地表加速度反应谱峰值的放大幅度分别为102.9%、149.9%和186.7%,大大高于建筑抗震设计规范中为考虑地形效应而对水平地震影响系数最大值进行增幅的取值。     

海域不同类别场地地震动参数变化规律研究

基于海域场地分类标准,选取南海海域实测钻孔作为计算模型,同时人工构造部分钻孔计算模型,对126条不同特性地震动输入下5种类别场地计算模型开展土层反应分析计算,分析不同地震动输入下不同海域场地峰值加速度和特征周期变化规律.结果表明,场地类别和地震动输入强度显著影响峰值加速度放大系数和特征周期,场地土越软,地震动输入强度越...     

无破碎带断层场地对SH波的散射

在层状半空间精确动力刚度矩阵和斜线荷载动力格林函数的基础上建立间接边界元方法,在频域内求解无破碎带断层场地对入射平面SH波的散射。为方便求解,将总波场分解为自由波场和散射波场,自由波场由直接刚度法求得,断层两侧的散射波场通过在断层面上分别对两侧施加均布斜线荷载产生的动力响应来模拟,虚拟荷载的密度可通过引入断层表面的边界条件确定,最后叠加自由波场和散射波场求得总波场。以有落差断层和无落差断层模型为例进行数值计算,分析断层落差、断层倾角以及断层两侧介质的刚度比对散射效应的影响。研究表明,断层落差与波长相当时,断层对SH波的放大作用最大;地表位移幅值随着断层倾角的增大逐渐增大;若断层无落差且其两侧刚度不同时,一般刚度较小一侧地表位移幅值较大且振荡更为剧烈,波从刚度较小一侧入射时位移幅值放大尤为显著。     

场地地震反应分析中侧向人工边界距离选取及影响因素分析

结合均匀场地模型和分层均匀场地模型,采用数值试验的方法研究了场地地震反应分析中侧向人工边界距离的选取问题。分析了各主要因素对人工边界距离选取的影响,得到了如下结论:单侧人工边界距离与土层深度之比L/h是影响人工边界距离选取的主要参数;随着侧向人工边界距离的增加,有限元模型的计算误差并不一直减小,在局部范围内,会出现计算误差随着边界距离的增加而增大的现象;场地硬度、阻尼比和激振频率等因素不会影响计算误差随边界距离的变化规律,但采用自由场边界时受输入地震动频谱特性的影响较为明显;对水平激振下的一维场地模型来说,采用结合自由度边界时所需边界距离最短,自由场边界次之,采用粘性边界达到收敛时所需边界距离最长;无论哪种边界条件,当边界距离大于某一范围后,都能得到稳定的计算结果;相对于均质场地模型来说,实际的分层均匀场地建模时可适当减小侧向人工边界距离。     

土-结构动力相互作用问题分析中地震动输入的一种新方法

为实现地震作用下土-结构动力相互作用问题的有限元模拟,需要在人工边界上完成地震动的有效输入,目前工程和科研中常用的地震动输入方法有两种:波动输入方法和振动输入方法。波动输入方法的模拟精度高,但实施上相对复杂且耗时,而振动输入方法处理简单,但模拟精度较低。针对应力型人工边界提出一种在人工边界上实现地震动输入的新方法,该方法通过对土-结构有限元模型中由人工边界节点及相邻节点组成的局部子结构施加自由波场位移时程并进行动力分析,从而直接获得可实现地震波动有效输入的等效地震荷载,然后在土-结构有限元模型的人工边界节点上施加等效输入地震荷载并完成动力计算,由此完成土-结构动力相互作用问题的地震动输入和地震反应计算。与原有波动输入方法相比,新方法避免了原方法需分别计算人工边界上自由场应力和由引入人工边界条件引起的附加力,以及需要根据不同人工边界面的外法线方向确定荷载作用方向等较为复杂的处理过程,具有等效地震荷载计算简便、地震动输入过程更易于实施的特点。采用均匀弹性半空间和成层弹性半空间一维地震反应算例初步验证新方法的正确性和可靠性。     

基于混合边界条件的有限单元法GPR正演模拟

从Maxwell方程组出发,推导了探地雷达(GPR)有限元波动方程.阐述了透射边界条件和Sarma边界条件的原理,推导了这两种边界条件的理论公式;通过在衰减层内加入过渡带优化了Sarma边界条件的加载方法,压制了介质区和衰减层交界面处的人为反射.考虑到透射边界条件与Sarma边界条件不同的理论机制,提出了一种结合透射边界条件和Sarma边界条件的混合边界条件,它利用Sarma边界条件对到达边界区域的GPR波能量衰减功能和透射边界对GPR波能量的透射功能,使GPR波经过Sarma边界条件的衰减吸收后,再通过透射边界条件将剩余能量透射出去,集成了二者的优势.并以二维均匀模型中的中心脉冲激励源方式为例,通过Matlab程序实现,以GPR的全波场快照的直观方式,对比了有、无边界条件及不同边界条件对人工截断边界的处理效果,说明了该混合边界条件对到达截断边界处的GPR波的处理优于单一边界条件.最后,以基于混合边界条件的有限单元法对两个典型的GPR地电模型进行了正演模拟,指导了GPR数据处理与工程实践.     

层状饱和场地分布荷载的动力Green函数及应用

研究波在层状饱和场地中的传播,在理论和实际工程中均有十分重要的意义.采用Biot基本模型,利用层状饱和土的精确动力刚度矩阵,给出了层状饱和场地中分布荷载作用于与水平向有夹角的倾斜直线时的动力Green函数,解决了利用间接边界元法计算层状饱和场地中任意凹陷地形对地震波散射以及土一结构相互作用中的关键问题.     

土-结构动力相互作用人工边界分析及试验验证

利用有限元软件Ansys二次开发语言apdl进行二次开发,将多次透射边界(MTF边界)和弹阻边界(V-S边界)添加到软件中,从而实现对土-结构动力相互作用问题中无限域场地的模拟。以野外大比例(1/2)土-箱基-框架结构试验模型的牵引释放自由振动试验(波源问题)和爆破震动试验(散射问题)数据为基础,通过有限元数值计算结果和试验结果的对比可知,施加了人工边界的土体模型可以较好地模拟波在无限域土体中的传播,有效地减少有限元计算模拟时的计算规模。同时多次透射边界在计算精度以及散射问题中地震波输入的便捷性方面要优于弹阻边界。     

Efficient seismic analysis for nonlinear soil-structure interaction with a thick soil layer

The direct finite element method is a type commonly used for nonlinear seismic soil-structure interaction(SSI) analysis. This method introduces a truncated boundary referred to as an artificial boundary meant to divide the soilstructure system into finite and infinite domains. An artificial boundary condition is used on a truncated boundary to achieve seismic input and simulate the wave radiation effect of infinite domain. When the soil layer is particularly thick, especially for a three-dimensional problem, the computational efficiency of seismic SSI analysis is very low due to the large size of the finite element model, which contains an whole thick soil layer. In this paper, an accurate and efficient scheme is developed to solve the nonlinear seismic SSI problem regarding thick soil layers. The process consists of nonlinear site response and SSI analysis. The nonlinear site response analysis is still performed for the whole thick soil layer. The artificial boundary at the bottom of the SSI analysis model is subsequently relocated upward from the bottom of the soil layer(bedrock surface) to the location nearest to the structure as possible. Finally, three types of typical sites and underground structures are adopted with seismic SSI analysis to evaluate the accuracy and efficiency of the proposed efficient analysis scheme.     

土-结构相互作用分析中几类地震输入方式的比较

地震作用下土-结构动力相互作用的整体有限元分析需要在人工边界处输入地震动。目前可能采用的地震输入方法包括黏弹性边界自由场输入方法、自由场应力方法、自由场位移方法以及侧边界自由方法。由于采用近似人工边界条件或者未完全考虑地震自由场,上述地震输入方法均为近似方法。本文以大开地铁车站二维有限元分析为例,根据规范建议的边界位置,研究了上述地震输入方法的精度,研究成果可为土-结构相互作用分析的合理地震输入提供一定参考。     

基于流固耦合统一计算框架的三维大规模海域场地地震反应分析?以东京湾为例

海域场地地震响应分析是确定海洋工程结构抗震设计地震动输入的重要环节。然而,针对海水、饱和土、基岩之间的流固耦合分析,目前一般通过对3种介质方程进行离散,然后整体求解或分区耦合求解的方式进行,过程复杂而低效。因此,大规模海域场地地震反应分析仍是一个挑战性问题。本文基于流固耦合统一计算框架求解海域近场波动问题,采用透射边界模拟无限域,通过将海水和基岩视为孔隙率分别等于1和0的广义饱和多孔介质,使得海水、饱和土、基岩之间的相互耦合可在统一计算框架中实现,避免不同介质求解器之间的数据交换。采用集中质量显式有限元并行计算,不同进程之间采用MPI进行数据交换,提高计算效率;采用逐元技术,按单元类别存储单元刚度,大大节省了内存,便于大规模计算。通过自编程,输入界面高程数据和材料参数,实现建模-自由场-三维地震动模拟全流程自动化。以东京湾为例,使用该方法和程序在超级计算机上模拟SV波垂直入射时的地震响应,证实了该方法用于三维大规模海域地震波场模拟的高效性和可行性。     

Simulation of multi-support depth-varying earthquake ground motions within heterogeneous onshore and offshore sites

This paper presents a novel approach to model and simulate the multi-support depth-varying seismic motions (MDSMs) within heterogeneous offshore and onshore sites. Based on 1D wave propagation theory, the three-dimensional ground motion transfer functions on the surface or within an offshore or onshore site are derived by considering the effects of seawater and porous soils on the propagation of seismic P waves. Moreover, the depth-varying and spatial variation properties of seismic ground motions are considered in the ground motion simulation. Using the obtained transfer functions at any locations within a site, the offshore or onshore depth-varying seismic motions are stochastically simulated based on the spectral representation method (SRM). The traditional approaches for simulating spatially varying ground motions are improved and extended to generate MDSMs within multiple offshore and onshore sites. The simulation results show that the PSD functions and coherency losses of the generated MDSMs are compatible with respective target values, which fully validates the effectiveness of the proposed simulation method. The synthesized MDSMs can provide strong support for the precise seismic response prediction and performance-based design of both offshore and onshore large-span engineering structures.     

三维复杂山谷地形SV波垂直输入地震反应分析

本文基于显式有限元法研究了地震波垂直入射时三维复杂山谷地形对地震地面运动的影响,在数值分析中应用了三维化二维的解法和黏弹性人工边界的处理方法,实现了地震波垂直输入下三维复杂场地地震动数值模拟,并验证了该方法的合理性.以四川桃坪地区一山谷地形作为研究对象,基于地表高程数据分别建立了二维和三维场地模型,对比研究表明:在复杂地形情况下考虑二、三维模型时具有明显差异,三维模型能更真实地反映地形变化对地震动的影响,复杂地形条件下有必要考虑三维实际场地模型.本文对边界自由场的处理方法也可用于处理三维复杂场地地震动斜入射问题,为三维复杂地形场地地震效应研究提供参考.     

SV波在饱和土体自由表面的反射

基于饱和两相介质弹性波动方程分析SV波在饱和土体自由表面的反射问题,引入波动方程的势函数解答,求解出二维问题中SV波入射情况下饱和土体自由场的位移、速度、加速度和应力响应。在饱和土体自由场响应解析解基础上,建立SV波入射下饱和土体自由场静、动力有限元模型。建模中考虑了如下几方面因素:(1)在不同分析步,对土体单元赋予不同材料本构。通过*model change命令进行单元生死设定,从而实现在初始应力场平衡的静力状态下采用DuncanChang本构模型,而地震波动输入时采用Davidenkov动力本构模型;(2)采用多孔介质黏弹性人工边界条件,在人工边界上分别施加固相和液相介质的弹簧和阻尼来模拟饱和土体中能量的传播;(3)将地震波转化为作用在人工边界上的等效地震荷载,施加到人工边界节点上;(4)土体单元采用4结点平面应变孔压单元(CPE4P)。有限元计算与解析解比较结果表明:SV波在垂直入射和掠入射时,竖向位移响应为零;在45°左右入射时,水平位移响应最大;60°左右入射时,竖向位移响应最大。这些结论与解析解吻合较好,本文模型为建立土-结构动力相互作用模型打下良好的基础。     

覆水场地地震反应分析

随着各种海洋结构物的兴建,覆水场地的地震反应逐渐成为研究热点。基于任意拉格朗日-欧拉描述,推导时变区域上的流体运动方程,给出流场、结构的接触条件和流场网格运动控制方法。对于平坦覆水场地,水平向地震动作用下,根据Couette流理论证明该类场地流体作用可以忽略;竖向地震动激励下,横向均匀场地可以通过动水压力公式准确考虑流体作用,横向非均匀场地则需要通过流固耦合方法考虑流体作用,以海底隧道为例加以说明。对于起伏场地,天然起伏场地在地震动激励下的动力反应具有明显的流固耦合特征,以三角形起伏场地为算例;结构物的兴建造成的人工起伏场地同样需要考虑流固耦合效应,以某沉管隧道在水平向地震动激励下的动力反应为算例,并根据结果初步提出该类结构物流固耦合分析的简化计算方法。     

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。