大型矩形渡槽-水耦合体系的动力性能分析

本文把任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法用于分析大型矩形渡槽结构-水耦合体动力性能,并针对不同的水位、不同截面深宽比,研究渡槽结构在谐波激励、地震激励下的振动反应。研究表明,渡槽结构中水体的泼溅具有明显的非线性特征;渡槽中水位对耦合体动力特性影响极具规律性,但是随截面深宽比减小,水体振荡的非线性明显增强;渡槽结构截面深宽比选择合理,水体泼溅作用产生的倾覆力矩不会使槽体发生倾覆失稳,但是水体的大幅晃动产生的动水压力对渡槽槽身应力有显著的影响,在渡槽抗震设计中应给予足够重视。     

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.     

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。     

考虑流-固耦合梁式矩形渡槽横向地震响应研究

根据豪斯纳尔（Housner）理论, 建立了考虑槽内水体与渡槽槽身流-固耦合的横向地震响应计算模型,分析了槽身断面深宽比变化对渡槽结构抗震的影响,并对某大型渡槽进行了多工况地震时程响应计算. 结果表明,在地震波作用下,渡槽槽内大质量水体对渡槽的横向地震响应有较大的影响, 但水体的晃荡作用有明显的TLD效应. 若将水体视为刚体, 质量全部附加到槽体上,将严重地夸大水的地震惯性力作用,且在渡槽槽身断面选择时应考虑深宽比对墩身地震响应的影响, 以减小地震力.      

大型双槽渡槽地震反应分析

为了得到比较精确的大型双槽渡槽结构的地震反应，根据渡槽结构复杂、影响动力因素较多等特点，采用8结点空间块体单元对渡槽槽身和槽墩进行有限元离散，分别用耦合自由度和多个弹簧单元分别模拟渡槽槽身横向拉杆、加劲肋和盆式橡胶支座，建立了大型双槽渡槽结构地层反应分析的有限元模型，计算了南水北调水利工程中的双洎河大型双槽渡槽的振动特性，并分别用反应谱法和时程分析法对该渡槽进行了地震反应分析，计算结果可为该渡槽的抗震设计提供参考。     

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。     

槽墩高度对渡槽结构水平地震响应的影响

为了研究槽墩高度对矩形渡槽结构系统的动力特性及水平地震动力响应的影响,本文采用Housner流-固耦合模型,提出了一种用于土-桩-渡槽-水体系统的有限元分析方法.以渡槽结构原理性拟动力试验结果为依据,对拟动力试验进行了有限元仿真计算,验证了本文所给出的计算模型的合理性.在此基础上,重点对不同槽墩高度的矩形渡槽结构系统进行了计算研究,结果表明:渡槽结构的基频随槽墩高变化显著,而其高阶模态频率则变化不大.在E1 Centro波及TAR波输入时,随着槽墩高的增大,渡槽结构关键部位的最大动应力等响应存在递减趋势;尤其在E1 Centro波输入时,递减趋势更为显著.人工波输入时,结构动力响应状况存在一定波动,但从总体而言志,矮墩渡槽的动力响应大于高墩渡槽的动力响应.     

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。     

基于三维接触-摩擦理论的渡槽结构地震碰撞反应分析

地震作用下渡槽梁体间的碰撞反应易对其抗震安全性产生重大影响.本文基于接触-摩擦理论,通过编制FORTRAN程序,建立了渡槽结构的三维动力分析模型,研究其在地震作用下的碰撞反应.结果表明,纵向地震输入是渡槽碰撞反应的控制工况;伸缩缝宽度增大,碰撞次数减少,但碰撞力峰值增大;渡槽的碰撞反应具有明显的地震动频谱敏感性,且随着槽内水深的增加而增大;碰撞会使梁端加速度反应明显增大,而使速度和位移反应趋于减弱;摩擦对渡槽纵向地震反应影响较弱,但对梁端横向位移反应和邻梁相对转角影响较大.     

2015年尼泊尔地震三维发震构造及地震危险性研究

2015年4月25日尼泊尔M_W7.8地震发生在喜马拉雅造山带上,人们普遍认为该地震不足以释放该造山带上累积的能量,但对该地区后续地震危险性评价多基于二维或是假三维的形变反演计算结果.本研究从2015年尼泊尔地震主震与其最大余震M_W7.3地震之间的关系出发,着重分析讨论了尼泊尔地震的时间和空间的非均匀性,结合震源机制解、地壳速度结构、精定位后的余震分布及InSAR反演结果,建立了三维发震构造模型,利用非线性摩擦有限元方法,对一个地震周期内断层摩擦行为和块体变形进行了模拟,将计算结果和地表同震形变、形变反演的同震破裂、历史地震时空演化进行对比,在确认该三维模型可靠性的基础上,讨论了该地区后续地震的可能位置,认为在1934年比哈—尼泊尔M_W~8.1地震以东区域,还存在发生大地震的可能,在最大余震M_W7.3地震东南部位,还存在发生中大地震的可能.

     

Simulation analyses of buildings damaged in the 1995 Kobe,Japan, earthquake considering soil–structure interaction

A series of studies was conducted on three buildings of steel reinforced concrete structures with RC shear walls damaged in the 1995 Hyogo-ken Nanbu earthquake. These buildings are located in an area where structural damage centred around. Two of these buildings suffered severe damage, while the third was not structurally damaged. Our studies deal with site inspections, including micro-tremor measurement of buildings, the evaluation of input motions, and the response analyses considering soil–structure interaction. The results of simulation analyses of the two severely damaged buildings correspond to their actual damage state. From the response analyses of the one slender building with no structural damage, it was concluded that uplifting is the main reason it did not suffer any structural damage. Through these studies, the importance of soil–structure interaction and effective input motion is fully understood. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

地震应急对策决策支持软件的设计与开发

基于空间决策支持技术,设计与开发了地震应急对策软件,在软件的总体设计、功能模块、数据库建设、地震应急对策模型及接口设计与模块集成等方面进行了研究与开发,并在“青岛市地震应急指挥决策支持软件系统”中得到实际应用和检验。实践证明,该软件能够实现城市地震灾害信息的科学管理,智能制定各种地震应急对策和生动的可视化,从而有效提高地震应急的效率和响应速度,为城市地震应急工作提供了有效的辅助决策手段;建成的“青岛市地震应急对策系统”对全国大中城市地震应急指挥技术系统的建设具有示范意义。     

广东东源MS4.8地震序列震源位置及周边地区P波三维速度结构

利用震源位置和速度结构的联合反演, 得到2012年2月16日广东东源M_S4.8地震序列的震源位置及震源区速度结构模型, 并进一步采用双差定位法对该序列位置重新定位． 结果显示, 东源M_S4.8地震是一次自上而下、 自西向东的单侧破裂过程, 破裂面积约3 km×5 km． 震源区地壳结构复杂, 埋深712 km处为一个速度达6.2 km/s的高速体, 主震的起始破裂位置位于高速体的顶部速度梯度较大的区域, 破裂面穿越整个高速体, 余震止于高速体下方的低速区底部(埋深约16 km)． 东源县锡场镇下方的这种高、 低速相间的结构, 表明地壳层间相邻物质性状的差异利于应变能的积累和释放, 因此东源地区具备发生中强地震的构造条件．     

基于耦合标势与矢势的有限体积法模拟非均匀各向异性地层中多分量感应测井三维响应

为快速有效地研究、考察各向异性地层条件下多分量感应测井的响应特征,本文利用电场标势与矢势的有限体积法研制出三维频率域电磁场响应的数值模拟算法,克服由低频发射或高阻地层产生的低感应数问题,有效提高了三维电磁数值模拟算法的应用范围和计算效率.首先利用电场的标势与矢势将Maxwell方程转化为满足库仑规范条件的耦合势Helmholtz方程,以Yee氏交错非均匀网格中不同位置上的节点为中心建立四种控制体积单元,通过对控制体积单元中电磁场与电导率的积分平均实现耦合势方程和磁偶极子旋度的离散,并得到一个对角占优的大型稀疏复线性代数方程组,然后,通过不完全LU分解预处理和稳定双共轭梯度法快速求解离散方程.数值结果证明了该算法的有效性,并进一步考查了仪器偏心、倾斜井、垂直裂缝等复杂条件下多分量感应的响应特征.     

1927年古浪8级大震及其周边地区三维地壳P波速度结构特征

本文联合利用甘肃及周边测震台网记录的古浪及周边地区4592次地震的P波绝对到时资料和相对到时资料,采用双差地震层析成像方法反演了古浪震源区高分辨率的三维P波速度精细结构.结果显示,浅部P波速度分布与地表地质之间具有很好的对应关系.皇城—双塔断裂带在6 km以上深度表现为高速异常带,而在6~15 km逐渐转换为明显的低速特征,之后再次转换为高速体.震区下部在10~20 km深度有一个尺度约200 km²的低速异常体,地震发生时破裂首先在该低速体发生,与主震空间位置非常吻合.主震区的岩石结构主要由奥陶纪变质砂岩、石英岩和加里东期的花岗岩等坚硬岩体组成.这种坚硬岩体对应的P波速度结构为高速体,有利于能量积累.武威盆地在20 km以上深度表现为明显的低速异常,在25 km深度之下,整体显示为高速体,表现出稳定块体的特征.表明武威盆地中下地壳和上地幔顶部已插入到冷龙岭隆起带之下.震区小震重新定位发现,皇城—双塔断裂带东、西两段表现出不同的力学运动性质,西段以逆冲运动为主,地震主要发生在断裂的下盘.而东段地震却主要发生在上盘,断层活动以局部拉张为主.我们还首次发现在皇城—双塔断裂带的中段与主破裂呈垂直方向存在有在主震发生时新产生的一条共轭断层,基于小震的断层面参数反演显示该断裂是一高倾角运动性质以右旋为主兼具正断的断裂.

     

Using visibility analysis to improve point density and processing time of SfM-MVS techniques for 3D reconstruction of landforms

Image network geometry, including the number and orientation of images, impacts the error, coverage, and processing time of 3D terrain mapping performed using structure-from-motion and multiview-stereo (SfM-MVS). Few studies have quantified trade-offs in error and processing time or ways to optimize image acquisition in diverse topographic conditions. Here, we determine suitable camera locations for image acquisition by minimizing the occlusion produced by topography. Viewshed analysis is used to select the suitable images, which requires a preliminary digital elevation model (DEM), potential camera locations, and sensor parameters. One aerial and two ground-based image collections were used to analyse differences between SfM-MVS models produced using: (1) all available images (ALL); (2) images selected using conventional methods (CON); and (3) images selected using the viewshed analysis (VIEW). The resulting models were compared with benchmark point clouds acquired by a terrestrial laser scanner (TLS) and TLS-derived DEMs. The VIEW datasets produced denser point clouds (28–32% more points) and DEMs with up to 66% reduction in error compared with CON datasets due to reduction of gaps in the DEM. VIEW datasets reduced processing time by 37–76% compared with ALL, with no reduction in coverage or increase in error. DEMs produced with ALL and VIEW datasets had similar slope and roughness, while slight differences that may be locally important were observed for the CON dataset. The new method helps optimize SfM-MVS image collection strategies that significantly reduce the number of images required with minimal loss in coverage or accuracy over complex surfaces. © 2020 John Wiley & Sons, Ltd.     

Earthquake soil‐structure interaction of nuclear power plants,differences in response to 3‐D, 3 × 1‐D,and 1‐D excitations

In soil‐structure interaction modeling of systems subjected to earthquake motions, it is classically assumed that the incoming wave field, produced by an earthquake, is unidimensional and vertically propagating. This work explores the validity of this assumption by performing earthquake soil‐structure interaction modeling, including explicit modeling of sources, seismic wave propagation, site, and structure. The domain reduction method is used to couple seismic (near‐field) simulations with local soil‐structure interaction response. The response of a generic nuclear power plant model computed using full earthquake soil‐structure interaction simulations is compared with the current state‐of‐the‐art method of deconvolving in depth the (simulated) free‐field motions, recorded at the site of interest, and assuming that the earthquake wave field is spatially unidimensional. Results show that the 1‐D wave‐field assumption does not hold in general. It is shown that the way in which full 3‐D analysis results differ from those which assume a 1‐D wave field is dependent on fault‐to‐site geometry and motion frequency content. It is argued that this is especially important for certain classes of soil‐structure systems of which nuclear power plants subjected to near‐field earthquakes are an example.