叠层板状结构的流致振动与稳定性

在对叠层板状元件的固有振动特性的理论分析中,提出了单梁与多梁对接的力学模型;在研究叠层板状元件湿模态固有频率与振型的理论分析与计算中,采用了以干模态振型函数序列作为试函数对复模态振型方程进行变分求解的方法;在研究叠层板状元件的稳定性时,采用直接法和变分法对其临界流速和失稳挠曲线进行分析和计算,二者的计算结果吻合较好;此外,对结构在非线性支承下的流致振动与稳定性作了初步研究。     

考虑流固耦合作用的深水桥墩地震响应分析

地震作用下,深水桥墩与周围水体的耦合振动是一个非常复杂的动力相互作用问题。本文基于非线性Morison方程,采用Airy波浪理论,建立了深水桥墩考虑流固耦合作用的有限元模型,应用Newmark—β法提出了求解该耦合非线性方程的算法,并用ANSYS软件和Matlab软件自编了求解程序。以某跨海大桥深水桥墩为算例,对其进行在地震作用下的非线性动力分析,并与已有计算方法进行对比。结果表明：按本文方法计算的墩顶最大位移、墩底最大剪力及墩底最大弯矩均较大,差异最大达到12．5％。因此在极端海况条件下,对深水桥墩进行地震作用下的动力分析时,建议采用本文考虑流固耦合的方法。     

流固耦合作用下流体对管道抗震性能的影响分析

在地震荷载作用下输液管道的破坏受到流体的影响，因此，流固耦合作用下的管道破坏数值模拟是分析管道抗震性能的关键。通过管道破坏分析的流固耦合有限元建模，实现了流固耦合作用下地震荷载加载和断层活动约束，介绍了建模过程以及模型参数选择，分析了流固耦合作用下管道的抗震性能及管内介质和流速等参数对管道破坏的影响。依据计算结果，管道内输送介质密度和流速越大，管道越易破坏，故在地下管道设计中应充分考虑管内介质的密度与流速。针对计算结果，为输液管道抗震设防提出了几点建议。     

考虑流固耦合的渡槽结构三维碰撞反应研究

渡槽结构在强烈地震作用下邻梁间发生的碰撞现象易对其输水安全造成重大影响。采用薄壁梁段单元和三维接触-摩擦单元借助FORTRAN程序建立了考虑流固耦合的渡槽结构整体三维碰撞分析模型,并通过工程实例进行了多工况下的地震碰撞反应分析。结果表明,随着槽内水深的增大,渡槽结构的地震反应普遍增大,邻梁碰撞次数、碰撞力和相对转角也随之增大;槽内水体固结和考虑流固耦合的碰撞反应峰值相差不大,但时程曲线差异较大,某些部位水体固结的解会小于流固耦合解,使固结简化的处理偏于不安全。研究结果可供大型渡槽结构抗震设计参考。     

地震动和断层作用下埋地管道破坏的流固耦合分析

在考虑流固耦合和地震荷载作用的情况下,应用ADINA(Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis)中流固耦合分析求解器ADINA-FSI,建立了地下管道破坏分析的有限元模型,介绍了建模和计算过程,地震荷载加载和断层活动约束的实现,以及模型参数选择等。依据计算结果,分析了管内介质及流速等参数对管道破坏的影响。管道内输送介质密度和流速越大,管道越易破坏,故在埋地管道设计中应充分考虑管内介质的密度与流速。针对计算结果,提出了几点认识和建议。     

电磁式可控震源-大地耦合过程中的非线性特征分析

基于液压式可控震源的线性模型在电磁式可控震源的应用上已不再适合, 故电磁式可控震源-大地耦合模型研究对实现有限激励能量向大地的最佳传输至关重要. 由于可控震源基板中含有大量高频谐波, 在耦合模型中引入非线性恢复力, 并通过用多尺度法对系统进行了非线性振动分析. 对振动过程中的超谐共振现象为能量传输过程中谐波的产生给出了合理的解释, 并为可控震源地震勘探中互相关参考信号的选取提出了改进方案, 通过野外实验, 取得了良好的应用效果.     

考虑流固耦合的桥墩地震反应方法

跨海桥梁地震反应中,作用于桥墩上的动水压力具有明显的流固耦合特征。依据张量理论,推导时变区域散度变换关系及微分形式的几何守恒律;基于任意拉格朗日一欧拉描述,从采用欧拉描述的流体运动Navier—Stokes方程出发,推导时变区域的流体运动控制方程;给出流固耦合问题中的结构计算模型、耦合面接触条件、耦合场计算方法以及流场网格运动控制方法。以某跨海大桥为例说明桥墩地震反应方法,重点突出地震动输入、流场初始条件模拟等问题。计算结果表明：流固耦合理论能够模拟桥梁墩台地震反应中的流场和结构特性;流场初始条件的正确模拟可保证计算稳定性,并减少运算量;横向地震动激励下,桥墩基底剪力较大,纵向地震动激励下,结构运动剧烈;流固耦合系统中的线弹性结构在地震反应中具有明显的非线性特征。     

考虑流固耦合的水中结构物地震反应方法

基于运动控制体的雷诺输运定理,采用任意拉格朗日-欧拉描述推导控制流体运动的Navier-Stokes方程;提出考虑流固耦合效应的水中结构物地震反应计算方法,并以水中垂直板的地震反应为例,阐明流固耦合体系的求解方法.分析地震动频率和水深对场地土-结构-流水构成的流固耦合系统动力反应的影响,结果表明:采用不可压缩流算法的Navier-Stokes方程能够合理模拟流场的位形变化,并保证流固耦合计算的收敛;考虑流固耦合作用使得结构地震反应幅值明显增大,并使频谱特性发生改变;水深对流固耦合效应的影响较大,并具有明显的非线性特征.     

结构-地基耦合振动下地震反应谱特性

随着结构震害统计资料的不断增加,许多结构在地震作用下的宏观破坏现象用现有的反应谱理论不能获得合理的解释。在地震中,结构-地基耦合振动十分明显。就此问题出发,利用集总参数法建立了结构-地基耦合振动模型,分析推导了该模型下的地震反应谱公式。通过实例计算得出了耦合体系在不同频率地震波作用下的反应谱曲线,得出了一些有意义的结论。研究结果表明,对于具有浅埋刚性基础的结构体系在考虑耦合后的地震响应值与现有反应谱理论计算值有明显差异,地震作用在较大结构周期跨度上得到折减,同时,耦合体系对特定频率的地震波有吸收作用,现有反应谱理论没有体现这一点有利作用。     

多种海啸触发类型的流固耦合数值模拟初步研究

利用有限元流固耦合理论来模拟二维、三维海啸触发阶段的动态过程,将海啸可能的触发类型分离出来独自模拟分析,并解决了触发过程中,流固计算可能失效而面临的问题,从形变图,压强图以及能量图多侧面地表达出流固耦合在海啸触发模拟中的可行性.由于不需要进行浅水波近似,因此所使用的计算方法和结果可推到较广的使用范围.     

Nonlinear dynamic response of concrete gravity dams: cavitation effect

A finite element method for the dynamic analysis of concrete gravity dams is presented. Displacement based formulation is used for both fluid and structural domains. During severe ground motion, the impounding fluid in the reservoir may separate from the dam and cause forming of micro bubbles. As a result, the compressibility of water is reduced. This nonlinear phenomenon of the reservoir is termed cavitation. When the direction of the ground motion is changed, the micro bubble's region of fluid collapses, and an impact will occur. By using different damping ratios in the fluid and solid domains the spurious oscillations which were caused by the impact are removed. The cavitation is confined to the upper part of the reservoir, where it has an effect of paramount importance on the tensile stresses. To illustrate the cavitation effect, the response of the non-overflow monolith of the Pine Flat dam subjected to the first 6.5 s of the May 1940 El-Centro, California earthquake, is considered. In order that the cavitation phenomenon take place more widely, maximum acceleration was scaled to give an amplitude of 1 g.     

考虑流固强耦合效应的深水桥墩地震反应分析

基于任意拉格朗日-欧拉（Aribitrary Lagrange-Euler,ALE）描述的Navier-Stokes方程,建立了考虑流固强耦合效应（Fluid-structure interaction,FSI）的深水桥墩地震反应分析整体有限元模型,分析了流固强耦合效应对桥墩墩身相对位移、剪力和弯矩反应的影响,讨论了不同水位下的流固耦合效应及其影响。算例结果表明：流固强耦合效应将使墩身位移和内力反应明显增大,增大幅度与输入地震波的频谱特性存在相关性;输入地震波的位移峰值越大,流固耦合效应对位移反应的影响越大,对内力反应的影响越小;水位对深水桥墩内力反应的影响较对位移的影响显著。     

考虑土-结构相互作用的大跨度斜拉桥非线性地震反应分析

运用大型有限元通用软件ANSYS/LS-DYNA及其并行运算功能,进行了考虑土-结构相互作用的大跨度斜拉桥地震反应分析。考虑混凝土、土介质和悬索材料的非线性与考虑材料线弹性的计算结果比较表明,考虑材料非线性情况时,由于进入塑性阶段后的能量耗散,内力比考虑线性情况时小;而进入塑性阶段后,结构刚度变小,运动量要比考虑线性情况时大。     

爆破地震作用下桩-土-结构相互作用的数值模拟

土-结构动力相互作用是地震工程和结构抗震的重要研究内容,但目前对爆破地震作用下土-结构动力相互作用的研究较少。运用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA,建立了桩-土-结构相互作用体系的三维有限元模型,由桩尖输入实测爆破地震波,取得了良好的计算效果。计算结果表明：考虑桩-土-结构相互作用后,群桩基础中每个桩的位移、加速度和剪应力幅值均呈桩顶大、桩尖小的倒三角分布,桩与承台的接合部比较容易受到损坏;桩-土-结构相互作用体系在爆破地震波冲击后,还会发生几次振动,但是这些振动产生的影响要小于爆破地震产生的影响,这与实测结果相符合;爆破地震波冲击下,群桩基础中,角桩顶部表面的桩土接触压力较大,但在爆破地震波冲击后,中心桩顶部表面的桩土接触压力较大,且具有一定的周期性,直至衰减为零。     

土-桩-隔震结构非线性动力相互作用分析方法综述

近年来,土-桩-隔震结构非线性动力相互作用成为结构抗震领域热点研究问题之一。首先,在回顾现有土-桩-隔震结构非线性动力相互作用研究的基础上,分析国内外学者针对土-桩-隔震结构动力相互作用采用的主要分析方法,包括理论分析法、整体时程分析法、模型试验法及能量分析法;然后,系统地总结了目前考虑土-结构相互作用的隔震结构动力反应相关研究成果;最后,分析了现有研究存在的不足及亟待解决的问题,并给出相关研究建议。     

土-桩-框架结构非线性相互作用的精细数值模型及其验证

利用有限元软件ABAQUS,建立了土-桩-框架结构非线性相互作用（SSI）的二维精细有限元模型,分别采用记忆型粘塑性嵌套面模型和损伤塑性模型模拟土体和混凝土材料,采用梁单元和rebar单元模拟RC桩基及其内部纵筋,采用接触面对法模拟桩土接触效应,取得了良好的计算效果。将自由场、框架、土-桩-框架结构模型的分析结果和其它成熟的计算软件进行对比,验证了数值模型的有效性。分析发现：桩基外侧靠近承台处的土体的非线性反应很强烈,而桩基内部土体的非线性反应较小,很大程度上只是跟随群桩一起运动。由于桩土动力接触,桩顶的加速度反应可能超出上部结构,并且桩顶的加速度时程曲线上有非常明显的＂针＂状突变。随着地震动强度的增加,上部框架逐渐表现出单自由度体系的动力特征,加速度反应谱有从多个波峰退化为单一波峰的趋势。     

Nonlinear seismic response analysis of arch dam-foundation systems- part I dam-foundation rock interaction

The arch dam–foundation rock dynamic interaction and the nonlinear opening and closing effects of contact joints on arch dam are important to the seismic response analysis of arch dams. Up to date, there is not yet a reasonable and rigorous procedure including the two factors in seismic response analysis. The methods for the analysis of arch dam–foundation rock dynamic interaction in frequency domain are not suitable to the problem with nonlinear behaviors, in this paper, so an analysis method in time domain is proposed by combining the explicit finite element method and the transmitting boundary, and the dynamic relaxation technique is adopted to obtain the initial static response for dynamic analysis. Moreover, the influence of arch dam–foundation dynamic interaction with energy dispersion on seismic response of designed Xiaowan arch dam in China is studied by comparing the results of the proposed method and the conventional method with the massless foundation, and the local material nonlinear and nonhomogeneous behaviors of foundation rock are also considered. The reservoir water effect is assumed as Westergaard added mass model in calculation. The influence of the closing–opening effects of contact joints of arch dam on the seismic response will be studied in another paper.     

带调谐液体阻尼器结构的有限元模拟分析

调频液体阻尼器(TLD)作为一种被动耗能减震装置,由于涉及到两种形态的物质之间的相互作用,真实准确地掌握调谐液体阻尼器的减震特性显得尤为困难,因此建立更加精确的流固耦合模型,进而探讨带调谐液体阻尼器结构的抗震性能是一件非常有意义的工作.本文利用ADINA有限元分析软件分别建立了结构动力学模型和流体动力学模型,并利用其流一固耦合分析模块,对此耦合模型进行瞬态分析,模拟计算结果与试验简化模型的结果具有较好的一致性.在此基础上通过动力时程分析得到了调谐液体阻尼器流场的变化特性,并结合流场特性考查了频率比、地震动、质量比这三个因素对带调频液体阻尼器结构抗震性能的影响,对比分析表明频率比对TLD的减振性能的影响最为显著,最后给出了TLD的设计建议.     

Nonlinear seismic response analysis of arch dam-foundation systems- part II opening and closing contact joints

A time-domain method for the analysis of arch dam-foundation rock dynamic interaction during earthquake was proposed, and the dynamic relaxation technique was adopted to obtain the initial static response for dynamic analysis by [Du et al. (2005). The paper has been contributed to Bulletin of earthquake engineering]. In this paper, a nonlinear explicit method in time domain considering the opening and closing effect of contact joints on arch dam during earthquake is further proposed by introducing the dynamic contact force model into the method. The simulation accuracy of dynamic contact force model is verified by comparing its calculation result and test result of scale model on shaking table. Finally, the influence of joints on the seismic response of Xiaowan arch dam is studied by the proposed method and some conclusions are given.