深水中大跨径斜拉桥地震响应分析

本文以某斜拉桥为例,采用基于Morison方程的附加动水质量方法研究了动水压力对深水中大跨径斜拉桥地震响应的影响,并对中国、日本和欧洲规范中动水惯性系数的取值进行了对比研究。结果表明,在深水条件下应当考虑动水压力作用对结构地震响应的影响。对比日本和欧洲规范,我国规范中动水惯性系数取值偏低,动水压力的影响偏小。     

柱列地震惯性水动力系数的经验公式

以深水桥梁的单桩和群桩基础为背景,采用Fluent软件建立圆断面刚性柱体的流固耦合计算模型,采用数值模拟方法,研究了地震作用下水中单柱和多柱的动水压力问题。对于静水中运动的柱体和柱列,将其地震动水压力表达为与Morison方程相同的数学形式,采用最小二乘拟合方法得到惯性力系数和阻力系数,研究了惯性力和阻力在总动水压力中所占的比例。在此基础上通过单柱、双柱和4柱构形,研究了柱直径、柱间距、运动角度、表面波、柱入水深度、柱顶距离水表面距离等因素对动水压力的影响。通过对数值模拟结果的统计,建立了可以考虑上述因素的柱列地震动水压力的简化计算方法,便于水中桥梁抗震设计使用。     

大型三维矩形、U形渡槽地震响应对比分析

本文应用任意拉格朗日-欧拉(ALE)有限元方法对比分析大型三维排架支撑矩形、U形渡槽结构地震响应,以获得渡槽中动水压力资料。研究表明,渡槽中水体的晃动幅度十分显著,水体的大幅晃动显著地改变两种截面形式渡槽中水压力、槽体应力值及U形渡槽动水压力和应力分布,对矩形渡槽动水压力和应力分布规律影响不大。动应力分布的改变直接影响到大型预应力U形截面渡槽结构中预应力钢筋的有效性。在渡槽的抗震设计中,应充分考虑U形截面渡槽动水压力和动应力分布变化问题,动水压力应该作为一项主要的外荷载予以考虑。     

地震和波浪联合作用下自由场海水动水压力分析

假定基岩为弹性半空间、海床土为流固饱和介质,研究了SV波斜入射条件下地震和波浪联合作用下自由场海水的动水压力反应问题。以输入El Centro地震动为例,结果表明:对于地震和波浪联合作用下的动水压力,无论是浅水或是深水情况,当波浪频率很小时,在一个波浪波长范围内的动水压力随水平位置的变化很小,随着波浪频率的增大,水平位置影响加强;波浪作用对联合动水压力的主导影响随波浪频率的增高在深水区变弱,此时,联合动水压力取决于相应频率地震动能量的大小。     

动水压力作用下深水桥墩非线性地震响应分析

为研究动水压力作用对深水桥墩地震响应的影响,本文分别采用Morison方程和辐射波浪理论建立了动水压力计算方法,分析了动水压力作用对桥墩地震响应的影响;同时分析了考虑材料非线性时动水压力作用对桥墩地震响应的影响。研究表明:动水压力作用增大了桥墩的地震响应,其影响随着相对水深的增加而增强;考虑材料非线性时动水压力对桥墩地震响应的影响,相对线性材料而言有所变化。     

地震激发的刚性块体惯性水动力系数经验公式

以深水桥梁的高桩承台为背景,采用Fluent软件建立圆断面和矩形断面刚性柱体的计算模型,采用数值模拟方法,研究了地震作用下水中刚性块体的动水压力问题。对于圆断面刚性柱体,将其地震动水压力表达为与Morison方程相同的数学形式,采用最小二乘拟合方法得到惯性力系数,并且定量计算出惯性力部分占合压力的比例,从而研究了影响圆断面刚性柱体地震动水压力的主要因素,进而建立了简单的统计公式。对于矩形断面刚性柱体,我们通过与圆断面的情况进行类比,并给出了矩形断面刚性柱体动水压力与运动角度的关系。     

考虑动水压力影响的单柱式桥墩地震反应分析

在Morison方程的基础上,用附加水质量法考虑动水压力对桥墩的影响,以单柱式桥墩为研究对象,以ABAQUS有限元软件为计算平台,建立了考虑桩-土动力相互作用的单柱式桥墩地震反应分析模型,考虑土体和桥墩混凝土的动力非线性特征,分析了地震动作用下动水压力对单柱式桥墩的墩顶相对墩底位移、加速度、剪力和弯矩反应的影响,并探讨了水位对单柱式桥墩地震反应特性的影响。结果表明:动水压力改变桥墩的地震反应特性,增大了桥墩顶部相对底部的位移、墩顶绝对加速度和墩底的内力,水位变化影响桥墩的地震反应特性。对于深水桥墩抗震设计计算,考虑动水压力效应、水位变化是有必要的。     

土(尾矿)坝的三维有效应力动力反应分析

本文首先根据试验资料整理出可用于三维应力状态的振动孔隙水压力增长的公式,然后提出了一个计算饱和土体(尾矿)地震反应的三维动力分析方法。该法不仅考虑到动剪应变与动剪切模量之间的非线性关系,而且还考虑到随振动孔隙水压力的逐渐增长而变化的动力性质。这个方法能够求得地震过程中三维应力状态土坝的加速度、动应力,动应变以及振动孔隙水压力随着时间的发展以及液化的开始和发展的过程。 以安徽铜陵尾矿(副)坝为例,采用空间等参数法,用本文提出的分析方法和振动孔隙水压力公式,详细地分析了该坝在0.1g和0.2g地震情况下的各种反应量和稳定情况。     

墩-水耦合计算模式及深水桥墩动力响应研究

为了研究地震作用下动水压力对深水桥墩的影响,以声波动理论为基础,通过对流体域边界条件的简化和流体域范围的探讨,建立了一种改进的墩-水耦合有限元模型,并提出了常用深水桥墩的理想流体域范围图。分别讨论了深水桥墩在简谐荷载、地震荷载作用下的动力响应,结果表明:动水压力增大了桥墩的动力响应,增幅在20%到50%之间,不可忽视;当桥墩基频越接近简谐荷载激励频率或地震波主频有效带宽区间时,动水压力的影响越大。     

加权余量法解部分吸收库底条件下水坝的动水压力

本文用加权余量法-配点法方案研究刚性坝面的动水压力。所建议的方法对于任意形状的坝面、可压缩和不可压缩的库水、完全反射和部分吸收的库底条件,都可以采用统一的计算格式。这个方法不但具有较好的精度和收敛性,而且只需要很小的计算量,所以是一种有效而实用的挡水结构动水压力的解法。     

升船机承船厢中水-船简化动力模型研究

升船机承船厢内水体对承船厢壁的动水压力明显受船舶影响,但目前工程分析中尚无较完善的水-船体系简化模型。考虑船舶对晃动水体的影响,以Housner模型为基础,提出了有效水深和有效水宽概念并给出表达式,考察了有效水深和有效水宽对动水脉冲压力合力、对流压力合力及其作用高度的影响,以势流体模型计算的动水压力合力为参照得到有效水深和有效水宽表达式中的参数,进而得到了修正的Housner模型。通过与势流体模型得到的力矩进行比较及在不同吨位承船厢和船舶的应用,验证了本文模型的正确性和通用性。本文模型精度较高,使用方便,可适用于承船厢的动力特性分析,以及动力荷载作用下承船厢的受力分析。     

非直立坝面的地震动水压力

本文假定水为不可压缩的理想流体,水与坝面、河床表面保持连续,流体作小振幅运动,忽略表面波影响,仅考虑水平方向的加速变地震扰动。本文第一部分,对非直立刚性坝面,运用放松边界条件的变分方法,找出了关于动水压力的Laplace方程的最佳组合状态的级数序列解答,原则上给出了求解任意几何形状坝面动水压力分市的方法。对于斜线及折线形坝断面的二维问题,推导出比较简捷的计算公式。本文给出定量地标志级数近似解答对于精确值收敛程度的离差算式。本文第二部分,在考虑坝的弹性变形与动水压力相互作用的离散化计算中,关于动水压力影响矩阵的求解,提出对于水库上游延伸甚长的情况,可以引用弹性力学及结构力学有限元分析中的子结构方法均基本概念,将水域分成几个子水域联合求解。对于坝踵以外为半无限矩形的情况,本文建议两种方法:“有限差分—有限元联合解法”和“解析法—有限元联合解法”。这样,就减少了离散化计算中的未知元数,在计算机运算中节约了存储,提高了效率。     

水下桩墩结构体系的动力模型试验研究

为了了解动水效应对桩墩结构体系的影响以及完善桥梁结构的抗震设计方法,进行了水下桩墩结构模型体系的动力试验.从模型设计、试验装置和加载工况3个方面介绍了试验的实施过程.通过观察模型破坏形态和分析试验结果,探讨了动水压力对结构体系动力特性和地震响应的影响并且检验了应用该动力模型试验研究的适用性.试验结果表明:模型在水中的自振频率比无水时有所降低;动水压力的大小与输入的加速度峰值有关并且在相同的峰值加速度下沿模型从上到下依次递增;试验结果满足预期目的,证实了试验方案的有效性.     

层间储液的双层圆柱壳水弹性振动

本文对层间储有液体的双层圆柱层壳水弹性振动进行了详细的分析，重点研究了计算了双层圆柱厚壳考虑的剪切影响的刚度阵、质量阵及其水弹性动力特性，经出动水压力分布规律和任意动载荷下的动位移响应。文后附有算例，证明了本文方法的正确性和合理性。     

调液阻尼器液体动水压力的模拟

本文采用流体体积函数法（ＶｏｌｕｍｅｏｆＦｌｕｉｄＭｅｔｈｏｄ,简称ＶＯＦ法）直接求解不可压缩的,粘性的,瞬变和具有自由表面流体的Ｎａｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程（简称Ｎ－Ｓ方程）计算了矩形容器中液体晃动时动水压力,为便于工程应用,在计算结果发析的基础上,提出了模拟动水压力的经验公式。     

地面式钢筋混凝土水池自愈、渗漏试验及地震响应分析

钢筋混凝土水池在供水系统中承担着净水、储水的重要功能,是典型的储液结构。裂缝的出现会加速钢筋锈蚀、降低结构耐久性,且结构设计中裂缝宽度限值很大程度上决定了配筋量。水池在地震作用下易出现裂缝,裂缝可能导致储液渗漏,造成水池服务功能下降甚至丧失,并在一定程度上影响整个系统的功能。震后储液结构的裂缝开展情况及由此导致储液渗漏程度是评判水池地震破坏等级的主要标准。目前,已有研究成果表明,混凝土裂缝在与水接触条件下会发生自愈使原有裂缝宽度减小,水池由于储水为裂缝的自愈提供了必要条件。因此,应考虑承载力、耐久性、服务功能、经济性、裂缝自愈性能及震后维修加固可行性等因素综合确定水池结构设计和地震破坏等级划分标准中的裂缝限值。储液结构在地震作用下存在液固耦合效应且液体会发生晃动,储液的存在改变了结构的动力特性和地震响应。水池结构除受到结构本身惯性力和静水压力外,其底部和侧壁还承受液体在垂直壁面方向上产生的动水压力。水池在抗震设计中需考虑液面晃动和动水压力的影响。现阶段,对钢筋混凝土水池裂缝自愈性能、渗漏特性及水池在地震作用下的液固耦合动力特性和地震响应的研究尚不完善。本文通过钢筋混凝土水池壁板弯曲裂缝和贯通裂缝自愈、渗漏试验研究混凝土裂缝的自愈性能及渗漏特性,采用大型有限元软件ADINA进行圆形水池地震响应分析,研究液固耦合系统的动力特性、储液晃动、动水压力及破坏特征等。论文主要完成了如下工作:(1)设计并完成了钢筋混凝土水池壁板弯曲裂缝和贯通裂缝的自愈及渗漏试验。进行了材料性能试验;对静水环境中弯曲微裂缝、流动水环境中贯通裂缝的自愈性能进行了测试,给出了弯曲微裂缝在静水环境中短期内的自愈合宽度,证实了贯通裂缝在流动水环境中仍会发生自愈合;在裂缝上施加实际水头作用测试了弯曲裂缝和贯通裂缝的渗漏特性,研究了弯曲裂缝宽度、受压区高度及作用水头对液体渗漏的影响,分析了贯通裂缝水的渗漏率与累计时间和水头高度之间的关系。通过试验得到裂缝特性与自愈及渗漏之间的关系,为水池结构设计和地震破坏等级划分提供参考。(2)对地面式圆形水池进行了液固耦合动力特性分析,液固耦合系统包括刚体模态、储液晃动模态和液固耦联振动模态3种形式。研究了储水高度、水池半径、液体表面重力波对液固耦合系统动力特性的影响。此外,对比了圆形水池储液晃动频率的理论和有限元计算结果,验证了模型的可靠性,且推导得到圆形水池储液晃动基本周期计算公式。(3)分析了单向水平地震作用下不同水池半径、不同储水高度圆形水池的液面最大晃动波高,拟合得到了圆形水池单向地震作用下的液面最大晃动波高计算公式。公式可用于储液结构地震作用下的最大晃动波高估计和储液结构最大晃动波高设计。结合储液结构长周期抗震设计反应谱和阻尼比修正系数,提出了储水水池液面最大晃动波高计算方法。(4)研究了单向水平地震作用下,不同水池半径、不同储水高度圆形水池池壁、底板环向和径向位置的动水压力数值及分布情况,并与理论计算结果进行了对比;分析了地震动峰值加速度、储水高度、水池半径对动水压力的影响;确定了对流压力与脉冲压力的叠加方法;拟合得到对流压力、脉冲压力及动水压力计算公式;结合底板环向动水压力分布,综合给出单向水平地震作用下圆形水池动水压力标准值,与较复杂的理论计算方法和仅考虑脉冲压力的规范法相比,计算更简便且与实际相符。此外,还分析了液面和池底动水压力的时程变化。(5)进行了双向水平地震动作用下圆形水池的地震响应分析,提取了液面最大晃动波高和动水压力计算结果;基于单向水平地震动作用下的响应结果,通过合理的组合方式给出了双向水平地震动作用下的液面最大晃动波高和动水压力计算公式,建立了双向水平地震作用下储水水池液面最大晃动波高和动水压力计算方法;并对双向水平地震作用下圆形水池地震破坏特征和易损性进行了分析。     

饱和黄土动态液化和静态液化机理的差异性研究

饱和黄土在不同外荷载作用下其液化机理具有显著差异.为研究饱和黄土动态液化和静态液化机理的差异性,基于室内动三轴试验和静三轴试验,研究岷县永光饱和黄土动态液化后的动应力与轴向动应变关系、动孔隙水压力比与轴向动应变关系,分析其静态液化后的偏应力与轴向应变关系、孔隙水压力比与轴向应变关系,并结合液化前、后的SEM试验结果,研...     

基于动水及桩-土-结构相互作用的斜拉桥地震响应分析

为了得到更为符合实际情况的跨江大桥动力稳定性的地震反应分析,在桥梁抗震研究中必须综合考虑动水及桩–土–结构的相互作用。基于此,结合某斜拉桥,采用基于Morison方程的动水力简便计算方法来模拟水对桥梁下部结构的动水压力,通过大型有限元程序Midas/Civil分别建立了没有考虑动水及桩土效应和考虑动水及桩土效应2种情形下的计算模型,通过输入El Centro波分析了动水及桩土效应对斜拉桥结构动力特性和地震反应的影响。分析表明:动水及桩土效应对斜拉桥动力特性和地震反应的影响较大,因此在对跨江斜拉桥结构进行抗震分析时,应考虑动水及桩土效应对其动力反应的影响。     

粉煤灰改良饱和黄土的抗液化特性

为了经济、环保地达到改良处理减轻饱和黄土地基液化震害的目的,通过配备不同粉煤灰掺量的改良黄土进行动三轴试验,研究饱和粉煤灰改良黄土的动应力、动应变和动孔隙水压力变化特征,分析粉煤灰掺量对饱和改良黄土液化应力比、动残余变形和动孔隙水压力的影响规律,并结合微结构试验结果,探讨饱和粉煤灰改良黄土抗液化的物理化学机制。结果表明:粉煤灰掺量对饱和改良黄土的液化应力比、动应变和动孔隙水压力比均具有较为显著的影响。随着粉煤灰掺量的增加,饱和改良黄土的液化应力比持续增加,且当掺量达到15%后,继续增加粉煤灰掺量时改良黄土的液化应力比增加显著。饱和改良黄土的动应变和动孔隙水压力比均随着粉煤灰掺量的增加而减小;掺量达到25%后,饱和改良黄土不液化。饱和粉煤灰改良黄土的SEM细观结构试验照片中呈现大量的圆球状、粒状粉煤灰颗粒和絮凝状胶结物,表明其抗液化的物理化学机制主要包括粉煤灰的水化作用、胶体生成物和颗粒的填隙作用和粉煤灰对游离水的吸附作用。     

地震和波浪作用下表面波条件对海水动水压力的影响

地震动斜入射条件下海洋场地简化为理想流体海水-两相介质海床-弹性固体基岩系统模型,通常假定为静水液面条件。本文以地震动SV波为例,推导了表面波条件下海洋场地动力反应解析解,研究了表面波条件对海水动水压力的影响。研究表明,表面波频率在大于0.5Hz时对海水动水压力几乎无影响,在小于0.5Hz范围内有影响,且越接近水面、频率越低时影响越显著。实际地震动卓越频率通常大于0.5Hz,因而地震动作用下采用忽略表面波条件的静水液面假定是合理的。进一步结合线性波浪理论,研究SV波和波浪联合作用下表面波条件对海水动水压力的影响。研究表明,由于波浪属于低频荷载且频率通常小于0.5Hz,在地震和波浪联合作用下表面波条件的影响较地震单独作用更为显著。