多维多点相关地震动作用下埋地管线地震响应的数值模拟

为了研究考虑地震动的空间相关性时埋地管线的地震响应,基于Opensees有限元程序,对埋地管线在多维多点相关地震动作用下的响应进行数值模拟。模型中采用基于柔度法的非线性梁柱单元模拟管体结构,利用基于频域合成法生成多维多点人工地震动实现地震激励输入,采用零长度单元考虑管体和土体在其接触面上的非线性力学行为。数值模拟结果表明:0.2 g地震强度下,非一致激励下管道的应变响应主频是一致激励下管道应变响应主频的4~5倍;在0.1 g地震强度下,非一致激励得到的管体应变最大可以达到一致激励下管体应变的1.5倍,且随着地震强度增强两者的差距明显增大,这种差距可能使在一致激励下安全的埋地管线在考虑非一致激励时变得不安全。所以在抗震设防等级较高的地区,考虑非一致地震激励作用对于埋地管线的破坏是必要的。     

埋地管线数值模拟中土体计算区域的选取问题研究

详细论述了动力无限元基本理论，提出了一种在非一致激励时无限元边界面上地震动的输入方法。在此基础上，考虑管线-土体之间的黏结滑移效应，采用动力无限元边界，建立了埋地管线的三维有限元-无限元耦合的精细化模型，对非一致地震波激励下埋地管线的动力响应进行了数值分析，对管线周围的土体计算范围的取值进行了系统研究，给出了管线周围土体的有效计算宽度W、有效计算长度L和有效计算深度H的取值范围。结果表明：W的取值与管径D紧密相关，H可取30～60 m,L应至少包含一个地震动的卓越周期段的波长，此分析结果可满足大多数工程需求。     

沉陷区域埋地管线数值模拟分析

场地的不均匀沉陷是导致埋地管线破坏的重要原因之一。本文考虑了材料非线性、几何非线性以及管土接触非线性,将管线计算分析模型模拟为四节点薄壳单元结构,周围填覆土体采用八节点六面体单元划分。管土相互作用模拟为三维刚性与柔性的面面接触单元结构,并采用线性位移加载来模拟土体的沉陷作用,对三维薄壳有限元模型进行数值计算分析。通过比较不同参数,如沉陷长度、沉陷深度、埋深、管径、径厚比、土特性等对管线的反应影响,得出管线在沉陷情况下的应力和应变的关系,通过算例分析,说明了该方法能更好地模拟管线的破坏过程,该方法将为沉陷区域埋地管线数值模拟提供理论分析依据。     

场地局部效应对地下管线的影响

将实际地震动看作非平稳随机过程,地震动不仅具有时域非平稳性,而且具有频域非平稳性。SMART-1台阵地震记录分析结果已证实,地震时地面上各点在同一时刻的地震动时变自功率谱存在一定的差异。时变自功率谱的差异对地下连续管线的影响还不十分清楚。利用随机振动理论中的虚拟激励法计算了均匀介质中地下连续管线纵向和横向的地震响应,给出了场地局部效应对均匀介质中地下连续管线的影响。分析结果表明,场地局部效应对均匀介质中地下连续管线地震反应的影响很小。因此,实际计算时可忽略场地局部效应。     

地震动强度非平稳特性参数与结构响应之间的近似定量关系分析

本文在对实际地震加速度记录统计分析的基础上,给出了能够合理描述地震动强度非平稳特性的参数及其取值范围;然后引入实验设计方法,建立了适合于地震动强度非平稳特性参数分析的实验设计算法,用来分析地震动强度非平稳特性参数的变化对结构响应的影响;最后通过与近似技术相结合,建立了地震动强度非平稳特性参数与结构响应之间的近似定量关系模型.结果表明,本文提出的实验设计方法适合于对地震动强度非平稳特性参数进行分析,该方法在有效地减小计算量的同时,获得了结构响应与参数变化之间的对应关系.基于实验设计方法进行的特性参数方差分析结果表明:地震动的稳态持时对结构地震响应的影响比较显著;对于周期较小的结构,特性参数之间的交互作用对结构地震响应的影响显著,但当周期大于1 s时,则不显著.本文建立的近似定量关系模型能够较好地反映不同特性参数、不同周期结构动力响应之间的联系,为工程实践中基于结构特性合理设置地震动特性参数、合成或挑选地震加速度时程提供理论依据.      

考虑地震动持时的液化场地-桩基振动台试验设计

振动台试验中地震动输入是一个关键因素,地震动持时压缩是1-G振动台试验设计中的重要环节,地震动持时压缩后,地震动特性发生改变,对地基-结构体系动力响应产生显著影响。为了研究振动台试验中地震动输入特性,特别是地震动持时压缩对可液化场地-结构体系地震非线性动力响应的影响,本论文较系统地阐述了振动台试验的整体设计思路,其中重点阐述了相似比设计思路及持时压缩方法、模型地基及结构制备、叠层剪切型模型箱性能、传感器布设及新型传感技术、持时压缩后地震动特性的变化、数据处理方法。成套方案设计思路为振动台试验提供了完备、科学的方法。     

埋地管线有限元建模方法研究

本文回顾了埋地管线抗震分析的研究工作，阐明研究埋地管线建模方法的重要性，结合几种埋地管线有限元建模方法，逐一论述各自的特点及适用条件。在上述工作的基础上，提出了可用于分析管线节点壳型屈曲及模拟管线面内应力应变发展直至屈服破坏过程的管土相互作用分析模型。     

高速铁路车-桥耦合体系地震响应分析

为了研究车桥耦合体系在地震作用下的响应,采用有限元方法,在现有有限元模型基础上,建立了更为精细的高速铁路车-桥耦合模型,计算了车桥体系的动力特性及典型地震动输入下的反应。同时还建立了单桥有限元模型,比较了单桥模型和车桥耦合模型的自振特性和地震响应的差异,得到了桥面加速度反应放大系数。结果表明:在给定的典型地震动作用下,车桥耦合模型地震响应放大系数与单桥模型有较大差异,同时输入地震动频谱特性对桥面地震加速度响应有显著影响。     

海底管线管跨段涡激振动响应的实验研究

海底管线管跨段的涡激振动,是引发海底管线失效的主要因素之一,尤其是管跨在涡激振动下的“频率锁定”现象,是导致管线断裂失效的主要原因,也是在设计和维护管理中必须要避免的状态。影响管跨涡激振动响应规律的因素很复杂,因此,模型实验是研究和探索其规律的主要手段。为了探索海流运动对管跨动力响应的影响规律,在实验水槽中,分别对管跨在稳定流和随机流的作用下,管跨的动力响应规律进行了测定,本文对实验结果进行了分析的基础上,总结了“频率锁定”现象出现的条件,提出了在海底管线的可靠性设计和管道理中应采取的相应措施。     

地下管网地震反应分析模型

建立了多点地震动激励作用下的地下管网地震反应拟静力分析模型。首先建立基于有限单元模型的地下管网系统刚度方程,接着给出考虑地震动空间相关性及场地条件等诸多因素的地震动场模拟思路及管网系统地震动施加策略,最后通过解析法验证了模型的正确性。采用本文方法对一＂十＂字形管网进行了地震反应分析,结果表明：①管线轴向应力沿着管线长度从管线端部向管线交叉点逐步增大,在管线交叉点处应力达到最大值;②与轴向应力相比,尽管管线的弯曲应力不是控制应力,但在管线端部及管线交叉点处弯曲应力值将会有较大突变。因此,对于地下管网而言,在受到地震作用时,不同布置方向的管线之间的相互影响是不容忽视的。     

架空输液管道系统动力反应分析

本文针对架空输液管道系统,考虑介质和结构的相互作用,进行了动力特性和地震动响应研究．针对某些介质和结构参数,得出管内液体流动对系统固有频率及动力响应影响的若干初步结论。     

Analysis of absorption effects on the dynamic response of dam reservoir systems by boundary element methods

Using reciprocal theorems for dynamic and static boundary value problems, boundary integral equations are presented for wave propagation in elastic, isotropic media and compressible, inviscid fluids in the time domain as well as in the frequency domain. For the analysis of fluid–soil and fluid–structure systems, suitable coupling conditions are prescribed along the interfaces. The numerical treatment of the boundary integral equations consists of a point collocation and of a discretization of the boundary, in which constant and linear approximation functions are assumed. Step-by-step integration is applied to the time-dependent equations, where again the states are taken to be linear and constant over each time interval. These boundary element procedures are used to analyse the response of dams due to horizontal and vertical ground motions considering dam–water interaction and absorption of hydrodynamic pressure waves at the reservoir bottom or at the far end into the soil medium. Both the frequency response and the impulse generated transient response are investigated.     

饱和土体瞬态响应有限元分析

给出基于Biot多孔介质理论分析饱和土体在动载荷作用下瞬态响应的有限元公式,数值计算部分采用本文有限元法分别计算一维饱和土柱在两种不同类型动载荷作用下的瞬态响应,并将数值计算结果与文献中的解析解进行比较,二者结果十分吻合,从而验证本文方法的可行性。     

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。     

层状饱水软土地基三维非轴对称动力响应分析方法

将饱水软土地基视为两相介质、考虑水的渗流和土骨架9变形的耦合作用，用Fourier展开和Hankel积分变换分析三维非称对称饱和弹性土层波动方程，用刚度矩阵方法，建立了层状饱和软土地基三维非轴对称动力响应的解析分析方法。以数值算例对比分析了单相土介质与两相饱和土介质三维非轴对称稳态动力响应，结果表明：在饱水软土地基动力响应分析中应该考虑土体中孔隙流体的影响。     

二维土坝的两相动力分析

提出了一种分析饱和土坝动力反应的方法,考虑了土坝的两相介质特性,在固液耦联动力方程的基础上,选取固相位移,液相位移、孔隙水压作为场变量,采用伽辽金加权残数法进行有限元空间离散化,然后在时域上采用Ｗｉｌｓｏｎ－θ法进行逐步积分。该方法不仅能计算出固相位移和液相位移,而且能直接得到孔隙水压的反应过程。文中以一饱和土坝模型进行算例分析,并与将其作为单相介质时的结果进行了比较。该法可用于分析饱和介质的地震     

液化土中输流管道的竖向地震响应研究

砂土液化是埋地管道遭受地震破坏的主要原因之一。液化土对管道产生上浮力,使管道发生上浮反应,它是随地震发生时间而变化的动态过程。将地震载荷作用下的液化区埋土管道模拟成两端弹性支承的直梁模型,考虑管-土间的相互作用和管内流体与管道之间的流固耦合作用,采用模态叠加法对液化区埋地管道进行地震响应的动态分析,探讨了管道和液化土参数对管道动态上浮反应的影响。通过数值仿真得到了管内流体的流速、流体压力、流体密度、管截面轴向力,管道黏弹系数、液化土容重和相对弹簧系数、地震加速度幅值等因素对管道上浮位移的影响情况。     

Effect of non-linear soil–structure interaction on seismic response of tall slender structures

Some structures may be very massive and may have to be located on relatively soft soil. In such cases, the soil adjacent to the structure behaves in a non-linear fashion and affects the response of the structure to the dynamic loading. An approximate hybrid approach to analyse soil–structure systems accounting for soil non-linearities has been developed in this paper. The approach combines the consistent infinitesimal finite-element cell method (CIFECM) and the finite-element method (FEM). The CIFECM is employed to model the non-linear (near-field) zone of the soil supporting the structure as a series of bounded media. The material properties of the bounded media are selected so that they are compatible with the average effective strains over the whole bounded medium during the excitation. The linear zone of soil away from the foundation, the far-field, is modelled as an unbounded medium using the CIFECM for unbounded media. The structure itself is represented by the FEM. The proposed method is used to model the dynamic response of a one-mass structure and a TV-tower supported on a homogenous stratum and excited by an earthquake. It was found that the secondary soil non-linearity might increase or decrease the base forces of tall slender structures depending on the type of structure, frequency content of the input motion and the dynamic properties of the near-field soil.     

二维非均匀饱和土体的地震反应分析

将饱和土体视为由弹性骨架和不可压缩流体组成的两相孔隙介质,取固相位移,液相位移,孔隙水压力为场变量。从两相孔介质的动力耦合微分方程出发,利用伽辽金原理和Ｗｉｌｓｏｎ－θ法导出了三场有限元积分方法,该方法可进行二维非均匀饱和土体的地震反应分析,文中通过算例讨论了非均匀饱和土体地震反应的一些特征。     

Dynamic response of single piles embedded in transversely isotropic layered media

Dynamic response of single piles embedded in transversely isotropic layered media is investigated using the finite element method combined with dynamic stiffness matrices of the soil derived from Green's functions for ring loads. The influence of soil anisotropy on the dynamic behaviour of piles is examined through a series of parametric studies.