土-结构体系的分枝模态与约束模态混合二步法

为了在结构设计过程中考虑土-结构非线性相互作用的影响,在线性-非线性混合的约束模态法以及分枝模态法的基础上,提出了适用于土-结构非线性相互作用体系的分枝模态与约束模态的混合方法,该方法既可考虑土体和结构的非线性特性又便于考察土-结构相互作用对上部结构的影响。在分枝模态与约束模态混合方法的基础上,进一步提出了混合二步分析法,并将其应用到地基土-框架结构地震响应分析中,算例结果表明,混合二步分析法在实现上部结构和地基土分开计算的同时,还能够考虑结构与地基土的材料非线性特性,有利于采用专业设计软件仅通过对上部结构进行分析来考虑土-结构相互作用的影响,为实际工程计算考虑土-结构相互作用的影响提供了便利的条件。     

基于约束模态综合法的非比例阻尼系统地震响应分析

为提高大型复杂结构体系的计算效率,在深入分析约束模态综合法原理的基础上,论述了非比例阻尼体系中约束模态综合法对阻尼矩阵的处理方法,并探讨了如何缩减对接界面自由度的问题。同时,通过算例详细说明了该方法在高层建筑结构动力时程分析中的应用。计算结果表明,在利用约束模态综合法求解非比例阻尼体系的动力问题时,文中所采用的阻尼矩阵的处理方法是有效的,与有限元直接法相比具有很好的精度。对于地基土-高层建筑结构体系的地震响应分析问题而言,缩减对接界面自由度的约束模态综合法可达到很好的计算精度,能够更大程度的提高计算效率,为大型复杂结构的动力时程分析研究和工程应用提供了一定的依据和方便。     

基于UPFs的三维紧支粘弹性边界单元

基于三维粘弹性人工边界理论,推导建立了类似于普通有限单元而具有粘弹性人工边界特性的三维紧支粘弹性边界单元,并结合UPFs二次开发的特点成功嵌入通用有限元软件ANSYS中。通过Lamb表面源问题和内源问题算例,对上述建立的单元进行了验证,计算结果表明,该单元具有与等效弹簧-阻尼器单元相同的精度和稳定性,并且使用更为简便,可操作性更强,同时基于ANSYS强大的开发平台和非线性计算能力,尚可开展其他特殊用途单元的二次开发。     

简支界面模态综合法

本文提出了一个新的模态综合法—简支界面模态综合法。该法的基本思想是将了结构的公共界面取为简支,计算简支界面子结构的主模态、约束模态,对子结构进行模态坐标变换,得到模态坐标下的子结构运动方程,再根据子结构间的位移协调条件进行综合,得到减缩了自由度的系统运动方程。由于在系统运动方程中,仅保留简支条件约束的界面自由度,对应于不受简支条件约束的界面自由度被消去,这样与固定界面法相比提高了系统的综合效率。本文以薄板弯曲问题为例,对简支界面模态综合法进行了考证,验证了该方法的可靠性和优越性。     

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。     

考虑土-结构相互作用的高层建筑抗震分析

本文采用通用有限元程序ANSYS,针对上海地区一例土-箱基-高层建筑结构进行了三维有限元分析,计算中土体的本构模型采用等效线性模型,利用粘一弹性人工边界作为土体的侧向边界,并研究了土体边界位置、土性、基础埋深、基础形式以及上部结构刚度等参数对动力相互作用体系动力特性及地震反应的影响。     

220kV四回路窄基输电铁塔动力特性研究

针对一220 kV四回路窄基直线塔,采用梁桁混合单元结构模型,利用ANSYS进行了自振模态动力特性分析,获得了其自振模态与自振频率。研究表明:窄基输电塔的自振特性与普通输电塔的有一定差别,从而进一步了解窄基铁塔的动力特性。     

基于ANSYS自定义单元的半刚性梁柱节点抗震滞回性能模拟分析

采用峰值指向滞回模型模拟半刚性连接在循环荷载下的非线性行为,建立了能同时考虑几何、材料和连接非线性的精细塑性铰法平面梁柱单元模型,利用ANSYS用户可编程特性（UPFs）,对自定义单元进行编译并嵌入到ANSYS平台中。利用试验数据拟合得到滞回模型参数,经自定义单元进行分析计算,得到节点的载荷-位移滞回曲线。通过与试验结果对比分析表明:模拟结果与试验结果吻合良好,该单元模型具有很大优势,可用于半刚性梁柱节点的滞回性能分析。     

基于多尺度混合有限元模型的钢框架地震时程分析

为了研究建筑结构在强震作用下的微观破坏机理以及提高建筑结构地震反应分析的精确性和可靠性,将多尺度有限元分析方法引入抗震混合试验中。根据经验将复杂结构在地震作用下表现出来的特性划分为线性,非线性以及强非线性部分,形成由宏观有限元模型模拟线性部位,微观有限元模型模拟非线性部位以及试验单元模拟用有限元单元难以模拟的强非线性部位的多尺度混合有限元模型。本文基于3层4跨Benchmark钢框架模型建立多尺度混合有限元模型进行地震反应分析。通过多尺度混合有限元模型与相应普通有限元模型之间的地震时程对比分析,验证了多尺度模型在抗震混合模拟试验中与普通有限元模型相比具有耗时相对较小同时能够得到较高精度的优越性。     

基于UPFs的粘弹性人工边界单元及地震动输入方法研究

基于粘弹性人工边界相关理论和地震动输入方法的有关理论,推导并建立了既具有粘弹性人工边界特性,同时可以将地震动转化为施加在人工边界上等效荷载的三维粘弹性人工边界,并利用二次开发工具UPFs将其成功地嵌入至通用有限元分析软件ANSYS中。通过Lamb表面源问题以及内源问题对上述二次开发单元进行了验证。算例表明,该单元可以很好地对无限地基辐射阻尼进行模拟。随后通过对自由场波动输入问题的验证,表明该单元可以实现在有限元单元级别上准确有效地施加地震动等效荷载。与传统的粘弹性边界施加方式相比,该单元有着更简单的使用性以及更强的操作性,同时又不增加计算模型的规模等优势,因而计算效率更高。同时,结合通用有限元分析软件ANSYS强大的建模和计算分析能力,使粘弹性边界有着更广泛的应用,并可适用于各种结构-地基动力相互作用问题的分析。     

基于双二次插值的探地雷达有限元数值模拟

从探地雷达(GPR)满足的波动方程出发,详细介绍了二维GPR模型单元剖分、二次插值、数值积分和有限元刚度矩阵总体合成的GPR有限元求解过程.为解决数值模拟时截断边界处的超强反射,采用Clay Bout透射边界条件对雷达波进行衰减,进而压制了来自截断边界处的反射波.在满足时间步长与空间网格差分稳定性前提下,采用中心差分法对GPR有限元方程进行离散,并用不完全LU分解预处理的BICGSTAB算法求解系数方程组,然后编制了基于双二次插值的GPR有限元正演模拟matlab程序.运用该程序分别对矩形和"V"字形两个典型地电模型进行正演计算,得到了正演剖面图,将该正演剖面图与基于线性插值的FEM算法的正演剖面图做了对比分析.结果表明基于双二次插值FEM算法相比基于双线性插值FEM算法异常响应更明显,具有更高的模拟精度,更有利于指导雷达剖面的数据解译.     

有限元模拟中边界条件对计算结果的影响

本文从总电位法和异常电位法两个方面,分别就直流电法有限元中所采用的三类边界条件对计算结果的影响进行了分析,为采用合适的边界条件及选取最佳边界距离来提高正演精度提供了基础.结果表明,混合边界条件精度最高,可大大缩小求解区域而不影响计算精度,其次是Dirichlet边界条件精度较高,但测点越靠边界误差会越大,必须取足够大的边界区域,齐次边界条件的误差比较大,但如果采用非二极装置,通过电位差计算得到的视电阻率,由于无穷远边界对电位差的影响基本消除,视电阻率计算误差与混合边界条件下的接近,在反演中,为了节省计算时间,经常使用齐次边界条件进行有限元正演.     

多维地震输入下首都机场航站楼T3反应谱分析

首都机场航站楼(T3)下部为混凝土和钢混合框架,上部为复杂的双曲面形双层扁网壳,长960 m,宽780 m,为超大体量大跨度复杂空间钢结构体系。本文采用SAP2000有限元软件,对其进行了单维和多维地震输入下的反应谱分析,研究了单维和多维地震输入对构件内力、节点位移和地震总剪力的影响;研究了多维地震输入下地震响应值与按规范地震组合公式计算所得地震响应值的关系;研究了模态提取数目和质量参与系数的关系,CQC法中参与组合的模态数目与结构地震响应的关系。研究表明,采用振型分解反应谱法时,模态频率越高,对结构内力的影响越小,对于对结构影响较小的高频模态,可以忽略其对结构的影响;根据单维和多维地震反应的对比分析,对超大跨度复杂钢结构宜进行三维地震输入的反应谱分析。另外,本文提出了一种新的地震效应组合方法,可替代多维地震反应分析,并弥补现行规范的不足。     

基于Marc二次开发实现粘弹性人工边界和振型分解反应谱法

新版《水电工程水工建筑物抗震设计规范》（NB35047-2015）中规定:"抗震设防类别为甲类的混凝土坝应考虑远域地基的辐射阻尼效应"。针对通用商业有限元软件Marc在振型分解反应谱法中的不足,且缺少时程分析法中模拟地基辐射阻尼效应的粘弹性人工边界,采用Fortran语言编制相应的独立程序及二次开发程序,以便在Mrac软件中精确实现新规范要求下的混凝土坝抗震安全评价。数值算例和工程实例分析结果验证了基于Marc二次开发实施思路和自编程序的正确性;重力坝抗震薄弱部位主要为坝体断面突变处,考虑无限地基的辐射阻尼效应后,坝体地震动力响应明显下降。     

三维土-结构动力相互作用的一种时域直接分析方法

本文提出了一种分析三维土-结构动力相互作用的时域直接方法。该方法采用集中质量显式有限元和透射人工边界模拟无限域地基,通过编制的FORTRAN程序实现;采用ANSYS软件对上部结构进行建模分析,并通过FORTRAN程序对ANSYS软件的调用,实现了土与结构系统在地震作用下的整体分析。该方法为显隐式相结合的方法,地基和上部结构可采用不同的时间步距进行分析,可大大提高效率。通过两算例,验证了该方法的可行性。     

岩浆活动与构造应力的相互作用及其与火山活动状态的关系

本文考虑一个包含岩浆囊和火山隆起的三维黏弹性地壳有限元模型,通过数值模拟的方法揭示了岩浆活动与构造应力之间的相互作用.首先,在底部岩浆的持续补给作用下,总结了火山地表形变、应力大小和岩浆囊过剩压力在岩浆补给不同状态下的特征和表象;同时本文研究了构造应力场变化对火山岩浆囊应力的影响,发现10 MPa的板块应力作用能够引起岩浆囊内±1.2~1.6 MPa的压力变化,这个量级足以对岩浆囊形成扰动,从而引发各种火山活动.     

Elastic wave propagation in an irregularly layered medium

The indirect boundary element method (IBEM) is used to simulate wave propagation in two-dimensional irregularly layered elastic media for internal line sources. The method is based on the integral representation for scattered elastic waves using single layer boundary sources. Fulfillment of the boundary conditions leads to a system of integral equations. Results are obtained in the frequency domain and seismograins are computed through Fourier synthesis. In order to test and validate the method we present various comparisons between our results and the time series obtained analytically for a buried line source in a half-space and by using the recently developed spectral element method (SEM).     

Seismic analysis of dam-foundation-reservoir system including the effects of foundation mass and radiation damping

One of the main concerns in using commercial software for finite element analyses of dam-foundation-reservoir systems is that the simplifying assumptions of the massless foundation are unreliable. In this study, an appropriate direct finite element method is introduced for simulating the mass, radiation damping and wave propagation effect in foundations of damfoundation-reservoir systems using commercial software ABAQUS. The free-field boundary condition is used for modeling the semi-infinite foundation and radiation damping, which is not a built-in boundary condition in most of the available commercial software for finite element analysis of structures such as ANSYS or ABAQUS and thus needs to be implemented differently. The different mechanism for modeling of the foundation, earthquake input and far-field boundary condition is described. Implementation of the free-field boundary condition in finite element software is verified by comparing it with analytical results. To investigation the feasibility of the proposed method in dam-foundation-reservoir system analysis, a series of analyses is accomplished in a variety of cases and the obtained results are compared with the substructure method by using the EAGD-84 program. Finally, the massed and massless foundation results are compared and it is concluded that the massless foundation approach leads to the overestimation of the displacements and stresses within the dam body.