有限元方法在地震孕育过程与前兆机理研究中的应用进展

有限元方法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、 且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。 有限元方法是目前应用最为广泛的数值模拟方法, 由于能够将复杂介质的力学本构关系及边界条件问题转化成为常规问题的计算程序, 所以越来越多的地震学者将其应用于地震成因与前兆机理研究中。 该文着重介绍了有限元数值分析方法及其模拟在地震孕育过程与前兆机理研究中的应用进展, 并提出开展小尺度规模如岩石中矿物颗粒之间的力学行为的有限元模拟研究等几点建议。     

饱和地基中地下结构地震反应若干问题研究

简要综述笔者所在课题组近十年在饱和地基中地下结构抗震研究方面的主要成果,包括：（1）饱和两相介质中波动方程及波动特性的探究;（2）动力有限元计算的传输边界研发;（3）饱和地基中地下结构地震反应离心机模型试验研究;（4）饱和地基中地下结构地震响应的有限元分析;（5）饱和砂土地基中地下结构上浮机理研究等。这些成果以较为深入地研究饱和两相介质波动理论为基础,通过模型试验、数值仿真、机理探究等方法认知饱和地基中地下结构地震反应机理,对于完善饱和地基中地下结构抗震设计方法及提高抗震安全措施等均具有参考价值。     

高墩梁桥的地震冲撞效应及其应对策略初探

国内外多次地震表明了高墩桥梁的地震冲撞破坏现象,针对目前国内大量兴建的高墩梁桥,有必要研究高墩梁桥地震冲撞效应和减轻桥梁地震冲撞破坏的应对策略。本文根据高烈度震区的1座高墩梁桥建立全桥的空间有限元模型,并在墩-梁结合部伸缩缝处采用非线性接触单元模拟相邻梁间的冲撞行为,同时考虑了下部支座的影响;考虑不同的强震动输入,采用非线性时程分析方法,研究了高墩梁桥的地震冲撞效应及减轻冲撞的有效措施。研究结果表明:本文采用的冲撞力学模型能够合理地模拟地震作用下结构的冲撞现象;冲撞行为对结构的地震反应影响复杂;地震动特性对冲撞效应影响显著;调整伸缩逢宽度或设置弹簧-阻尼限位装置可有效缓解结构间的冲撞效应。     

地震预测方法Ⅱ:评述

本文分析了各种地震预测方法对地震的预测情况.首先通过岩石力学实验和有限元模拟计算结果分析了含裂纹岩石材料的变形破坏过程;其次,将实验室岩石破坏过程的观测结果和有限元模拟计算结果外推到地壳岩石的变形破坏过程,从地震发生的物理力学机理出发,对多种地震预测方法进行了评述,研究这些地震预测方法的有效性和尚待解决的问题,同时对利用物理化学方法预测地震的前景进行了讨论.     

地震波作用下地下管道试验的数值模拟方法

以模型试验几何尺寸建立有限元数值模拟模型,全面给出了地下管道地震动作用的三维有限元建模及分析研究的主要步骤,建立柔-柔接触面来反映管-土相互作用,利用拉格朗日乘子法求解接触效应;通过ANSYS和MATLAB的交互使用,对土体四周及底部定义的粘弹性边界实现能量辐射,减小边界效应;考虑试验模型与实际模型的比例,对原始地震波加速度时程曲线进行缩尺处理,模拟得到的管道响应规律与试验结果吻合较好,表明该数值模型是合理的。在此基础上讨论了管道在地震波作用下的位移、加速度和应力的动力响应,并提出了相关实用的工程建议,为地下管线等长线型地下结构的地震响应理论分析提供参考。     

地震动非一致性对隧道动力响应的影响分析

针对隧道的抗震安全性,借助有限元软件平台对其地震时程响应进行非线性有限元分析。利用弹性模型考虑混凝土隧道在循环荷载作用下的拉、压应力-应变关系,同时对土体采用MohrCoulomb模型,选用人工边界作为边界条件,以人工合成的多点地震加速度时程作为地震动输入,分别考虑一致输入、行波效应、相干效应及行波加相干效应对隧道的影响。分析结果表明,与一致激励的计算结果相比,非一致地震激励会显著增加隧道结构的内力和位移响应,从而对隧道抗震产生不利影响。研究结论可为长隧道结构的抗震设计和分析提供科学依据。     

苏联出版的俄文版《模拟建筑结构在地震影响下的统计类比》一书简介

《模拟建筑结构在地震影响下的统计类比》一书由撰写,于1986年由亚美尼亚加盟共和国科学院出版。全书共149页,32开本。本书研究了模拟建筑结构在地震影响下的物理理论,对从建筑力学统计模拟到地震效应的模拟都进行了研究。书中论述的内容对抗震结构的研究是有益的。本书可供从事建筑结构计算和设计的工程技术人员,以及从事抗震结构研究、工程地震研究的工程技术人员参阅。全书分四个部分。第一部分“模拟地震作用下建筑结构问题的现状”,包括:1-1类比理论和模拟理论的发展及现状;1-2运用对比理论解决工程地震问题及建筑物抗震能力问题的基本方向;1-3相关—统计理论在模拟区的运用。第二部分“建筑力学中的统计类比”,包括:2-1力学参数相关特征的类比;2-2统计类比的检验;2-3统计类比的解析范例。第三     

基于黏弹性边界的地下隧道非线性地震响应分析模型

采用黏弹性边界方法和地震动输入等效节点力方法模拟半无限场地的地震激励,结合通用有限元软件ANSYS,建立地下隧道地震响应分析模型。模型采用等效线性化方法模拟土体非线性,采用瑞利阻尼和材料阻尼相结合方法模拟土体阻尼,分别考虑衬砌中混凝土和钢筋的非线性,以及衬砌和土体之间的接触。通过与文献比较,对整体模型的精度进行验证,并以天津市深厚覆盖层场地中某地铁双隧道为例进行非线性地震响应分析。研究表明,隧道间距较小时隧道之间存在显著相互作用,非线性地震动应力显著增大。本文模型可用于地下隧道一类结构的抗震验算分析。     

基于黏弹性边界的地下隧道非线性地震响应分析模型

采用黏弹性边界方法和地震动输入等效节点力方法模拟半无限场地的地震激励,结合通用有限元软件ANSYS,建立地下隧道地震响应分析模型。模型采用等效线性化方法模拟土体非线性,采用瑞利阻尼和材料阻尼相结合方法模拟土体阻尼,分别考虑衬砌中混凝土和钢筋的非线性,以及衬砌和土体之间的接触。通过与文献比较,对整体模型的精度进行验证,并以天津市深厚覆盖层场地中某地铁双隧道为例进行非线性地震响应分析。研究表明,隧道间距较小时隧道之间存在显著相互作用,非线性地震动应力显著增大。本文模型可用于地下隧道一类结构的抗震验算分析。     

水库触发地震研究中二维与三维有限元模拟结果比较

紫坪铺水库蓄水载荷引起的库仑应力变化以及是否可以触发汶川M_S8.0地震是地学界关注的一个热点问题。 已有较多研究均建立在二维有限元模拟基础上, 然而二维与三维结果存在较大差异, 本文定量给出了该差异的大小。 首先比较了有限元方法与解析方法求解半无限空间点载荷下弹性问题结果, 确认了三维有限元计算在百万网格下具有足够的计算精度; 然后数值计算并比较了二维、 三维模型中紫坪埔水库蓄水的弹性力学及渗流效应。 结果表明, 总体上弹性加载会造成逆断层更趋安全, 而水压渗透使其趋于危险, 两者叠加仍然没有导致增加汶川地震危险性; 但现有的二维有限元模拟夸大了真实结果, 在汶川震源位置三维计算的应力大小仅为二维计算的1/3到1/4, 因此在严格的讨论中必须使用三维建模。     

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。     

局部透射边界在稳态波动有限元模拟中的应用

本文将局部透射边界和集中质量有限元技术结合起来形成一个模拟稳态近场波动的力学模型。这一模型中任一节点的运动仅与其邻近的节点耦联。这一特点导致稳态波动有限元模拟的一种十分简便和有效的算法。本文将以基底固定的弹性层内的出平面波动为例阐明这一算法,并用一种新的局部透射边界模拟行进波动。     

地震前地表重力场变化的一种可能解释——应力-损伤耦合效应

文中运用损伤力学研究方法 ,提出孕震过程中引起地壳破坏的应力 -损伤耦合效应。利用应变等效性假设 ,推导了地壳体的应力 -损伤耦合效应与地表重力变化之间的理论关系。根据岩石力学实验的不同加载途径 ,模拟了 1976年唐山 7 8级地震和 2 0 0 1年昆仑山口西 8 1级地震重力演化的不同特征 ,结果与实际情况符合较好 ,表明应力 -损伤耦合效应可以作为地震前地壳重力变化的一种物理解释     

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。     

沉积环境对地震动场地效应的影响研究

国内外震害经验和研究结果表明,场地效应是引起地表震害和地震动局部变化的重要因素,它主要受场地速度结构的影响。沉积环境是指沉积作用进行时具有的自然地理环境,它会对沉积层的颗粒大小和圆度、孔隙率、含水率等因素产生影响,从而进一步影响以沉积土壤为主的地下速度结构。因此,沉积环境会对场地效应产生一定程度的影响。数值模拟方法可以模拟地下具有任意复杂结构的介质中地震波传播的过程,并获得地表的地震动响应,是一种常用的研究场地效应的方法,在工程抗震验算的地震动定量估计、地震震害预测等领域有重要意义。数值模拟需要以准确的地下速度结构模型为基础,模型的准确性也直接影响到模拟结果的准确性。建立准确的地下速度结构模型需要大量的地球物理勘探资料,其中钻孔测井资料最为准确,然而其成本较高,且对于人口、建筑密集的城市,钻探难度大。因此,本文以玉溪盆地为例,分析了该地区沉积层速度结构与沉积环境的关系,发现沉积层的波速与沉积物颗粒大小、磨圆程度有明显的关联,并建立了使用钻孔中沉积环境特征明显的地层估计钻孔等效波速的方法,从而使未进行波速测井的钻孔可以被应用于场地模型的构建。盆地效应作为一种典型的复杂场地效应,通常对地震动有显著放大作用。本文以沉积环境因素的影响为基础,建立了考虑土层横向不均匀性的玉溪盆地速度结构模型,使用数值模拟方法计算了其地表的地震动反应,分析了玉溪盆地的盆地效应:具有明显的聚焦效应及边缘效应;其位移峰值放大倍数普遍在1.2~1.6倍之间;对于地震动中周期为2s左右的成分的放大效应最为明显。论文中还将上述结果与未考虑沉积环境的模型模拟结果进行对比,指出沉积环境主要影响了盆地聚焦效应的分布以及加速度反应谱中特定周期的地震动反应分布。本论文中使用的数值模拟方法为基于ADINA软件的显示有限元方法。通过二次开发在ADINA软件中加入了人工透射边界,从而使其可以模拟无限域中地震波向计算区外传播的过程,建立了模拟局部场地地震反应的数值模拟方法。     

超大型冷却塔结构地震反应分析及试验研究

近年来,随着国家环保战略的要求,我国三北地区正在酝酿建造一批1 000 MW超临界空冷机组,与之相匹配的间接空冷塔结构一般高达200m以上,直径可达180m以上,进风口高度可达30m以上。建设地点多位于南北地震带中北段,地震危险性高,场地条件复杂。其抗震设计必须面对高烈度、土-结构相互作用以及行波效应等难题。而目前国内外关于超大冷却塔结构高烈度抗震设计问题的相关研究资料很少,可参考资料更是罕见。围绕这一问题,本文采用地震模拟振动台试验与有限元数值模拟分析相结合的手段,对超大冷却塔结构的地震破坏机理、土-结构相互作用、行波效应及其隔震可行性等问题进行了研究探讨,主要完成了以下几方面的工作:(1)采用欠人工质量相似理论设计了原型高度为220m,直径为185m的超大冷却塔结构1:30缩尺试验模型。通过地震模拟振动台试验,获得了考虑不同场地条件的不同烈度工况下超大冷却塔模型结构的动力响应、振动特性及其破坏特征,研究揭示了超大型冷却塔结构的地震作用破坏机理,发现超大冷却塔结构下部的X型支柱上下端部、筒壁最薄的塔筒喉部是其地震薄弱部位,为超大冷却塔结构优化抗震设计提供了依据。通过模型结构有限元数值模拟并与试验结果的对比分析,交互验证了有限元数值模型与试验模型的合理性。(2)针对Ⅱ、Ⅲ类场地条件下高大结构实际存在的地基土-结构相互作用效应问题,提出了对设计谱水平地震最大影响系数αmax采用修正系数αs进行调整的方法,以简化超大冷却塔结构抗震设计分析过程。采用粘弹性阻尼单元模拟地基土边界,以某超大冷却塔结构原型为例进行了地基土-结构相互作用分析。通过对比分析是否考虑土-结构相互作用两个模型的结构动力特性及地震反应,给出了Ⅱ、Ⅲ类场地条件下考虑土-结构相互作用时,冷却塔结构的动力反应规律。(3)综合考虑行波效应不利影响,提出了对设计谱水平地震最大影响系数αmax采用修正系数αT调整的方法,以简化超大冷却塔结构抗震分析过程。仍以前述超大冷却塔结构为例,进行了是否考虑土-结构相互作用效应的超大冷却塔结构行波效应对比分析,指出视波速大于1 000m/s的I类场地条件下,超大冷却塔抗震分析可以不考虑行波效应;视波速≤350m/s的Ⅱ~Ⅲ类场地条件下,建议超大冷却塔结构中应对超大冷却塔行波效应给予足够重视。(4)给出了超大冷却塔结构采用橡胶支座基础隔震技术的设计分析方法。本文采用有限元分析方法,对比研究了是否考虑土-结构相互作用、是否考虑行波效应等条件下超大冷却塔结构采用基础隔震的减震效果。以8度抗震设防为例,证明了超大冷却塔结构采取基础隔震措施后,上部结构各关键节点之间的地震反应相对位移、加速度以及X型支柱位移角均能有效降低,可大幅提升超大冷却塔结构的地震安全性。     

用二相介质有限元方法对共和7.0级地震前兆的数值模拟

利用固液二相介质平面应变问题的有限元程序对共和７．０级地震的前兆现象的时空分布进行了数值模拟．研究中不仅考虑了固相的非线性、硬化及膨胀等效应，也充分考虑了水对前兆的影响，因此模拟结果与实际的前兆分布特征符合较好．     

基于有限元方法研究岫岩罗圈里陨石坑地形对地震反应的影响

基于有限元方法对岫岩罗圈里陨石坑地形对地震反应的影响进行了探索。结合文献资料、岩土勘察工作建立了岫岩罗圈里陨石坑二维有限元分析模型。选用粘弹性人工边界和等效节点力输入方法解决了有限元模拟半空间无限域时的边界问题和地震动输入问题。为了突出地形因素的影响,采用弹性材料介质进行数值模拟分析,并与水平场地模型的分析结果进行了对比。数值模拟结果和对比表明:罗圈里陨石坑地形对于陨石坑中部的地震动有显著的放大作用,远高于水平场地模型。此外,盆地中部短周期部分的反应谱也明显高于盆地边缘和水平一维场地模型,这是导致海城地震中盆地中部自振周期较短的单层房屋破坏明显严重的主要原因。     

地质条件对隧道地震响应的影响因素研究

地质条件对隧道的地震响应的影响因素研究,目前已有较多研究者开展,但多数研究者关注单因素研究,但对多因素及各因素间相互作用关注较少.本文以华丽高速公路典型隧道为工程背景,将其抽象为数值算例,并基于正交设计及均匀设计等试验方法,分别研究地质条件中岩体的力学效应、应力状态效应、结构面的力学效应对隧道的影响.研究结果表明:对于...     

唐山地震断层破坏及其力学过程的数值模拟

本文用数值分析方法探讨了地震从孕震到发震的力学过程,以76年的唐山地震为实例,用非线性有限元方法,分析唐山发震断层破坏的力学机制,用增量分析的方法,近似地按时间序列模拟发震断层和周围岩石从孕震到发震的力学过程,并与实测资料进行分析比较