非一致地震激励下综合管廊接头响应数值模拟

以横向有接头地下综合管廊非一致激励振动台试验为基础,基于有限元软件ABAQUS,建立了土-地下综合管廊结构数值模型,采用非线性弹簧单元模拟地下综合管廊的接头。分析了模型箱的边界效应、加速度响应、位移响应、以及管廊接头响应,有限元计算结果与试验实测结果进行对比分析,二者对比结果呈一致趋势,非线性弹簧单元可为生命线工程结构接头数值模拟提供了新思路。     

考虑SSI效应的隔震结构体系振动台模型试验与数值模拟对比研究

基于考虑土-结构相互作用(SSI)效应的隔震结构体系振动台模型试验,以ABAQUS软件为计算平台,考虑土体的非线件特性,建立了将土体一桩基-隔震结构视为共同工作整体的三维有限元模型,对各种试验工况下的地震反应进行了数值模拟计算,并与试验结果进行了对比分析,结果表明:数值模拟和振动台模型试验结果基本一致,两者得到的SSI效应对隔震结构地震反应的影响体现出相似的规律性,印证了数值模型的正确性.     

PHC管桩单桩振动台试验与数值模拟对比分析

利用振动台对PHC管桩进行单桩承台模型试验;同时将土体PHC管桩-上部结构视为共同工作整体,建立三维有限元模型,再以ABAQUS软件为计算平台,对单桩试验工况下的地震反应进行数值模拟计算,并将试验结果与数值模拟计算结果进行对比分析。结果表明：数值模拟和振动台模型试验基本吻合,两者得到的地震反应影响体现出相似的规律性,印证了模型试验的可靠性和数值模型的合理性。     

典型综合管廊体系的地震响应分析

为了深入分析地震作用下综合管廊体系的安全性,通过数值模拟试算分析,建立了合理的综合管廊体系三维有限元模型,选取了7条不同频谱特性的天然地震动作为输入,进行了典型综合管廊体系地震响应分析,研究了综合管廊结构及其内部管道的响应特征,并简要评价了其抗震性能。结果表明,地震作用下,综合管廊变形基本与周围土层一致,侧壁与底板连接部位为损伤最大位置,而综合管廊内管道,与传统直埋管道相比,其地震应力响应大为降低。因此在设计时,应重点考虑综合管廊本身的抗震问题。     

软弱场地地铁车站结构地震反应的数值模拟与模型试验对比分析

根据软弱场地土上地铁车站结构大型振动台模型试验结果,以软件ABAQU S为平台,采用记忆型嵌套面黏塑性动力本构模型和动塑性损伤模型,分别模拟土体和车站结构混凝土的动力特性,建立了土-地铁车站结构非线性动力相互作用二维和三维有限元分析模型,对各种试验工况下地基土-地铁车站结构体系的地震反应进行了数值模拟,并与试验结果进行了对比。结果表明：二维、三维数值模拟与振动台模型试验结果基本一致,三维模型可更好地模拟软弱场地与地铁车站结构的动力相互作用及模型结构的动力反应。数值模拟结果和振动台试验结果可相互验证其可靠性。     

综合管廊横向振动台试验设计

在基于文献调研及综合考虑试验目的、试验条件、试验经费的基础上对于综合管廊横向振动台试验进行详细设计。首先,对于试验中所需的振动台、模型箱、测试元件等试验设备进行设计与选择。其次,对于试验中两大主要方面:模型相似比和模型配筋进行研究。在相似比设计中依据Bockinghamπ定理以加速度、密度、弹性模量、长度这4个参数为基本量,考虑采用忽略重力模型,从而推导出其余相似比。模型配筋设计中由于无论单层综合管廊还是双层综合管廊原型结构配筋均较为简单同时考虑受力的合理性,本次配筋采用等面积配筋率原则。再次,基于地下结构地震反应特点选用El-Centro波、Kobe波、Taft波,试验加载采用分段逐次加载,并给出详细的加载制度。最后,基于前期二维模型的数值模拟,给出单层及双层综合管廊的测试元件布置图。     

地下综合管廊土-结构接触面参数对地震动力响应的影响数值分析

为研究土-结构接触面参数对地下综合管廊地震动力响应特征的影响,建立动力有限元数值模型,模型边界采用激励侧固定边界、远离激励侧黏性边界、其余侧自由场边界的优化组合动力边界,土体本构采用HSS模型,接触面采用改进Goodman单元,动力荷载考虑三种情况(Rayleigh波的作用、底部激励了美国加利福尼亚Upland地震波以及前两者的共同作用),分别研究不同地震动输入、接触面折减系数的改变对综合管廊内力及加速度的影响。研究结果表明:在相同的折减系数条件下,与静力作用相比,动力作用下的结构内力明显增大,综合管廊设计时应考虑地震荷载作用下内力增大的情况;随着界面折减系数的增加,正弯矩极值减小,负弯矩极值增大,加速度峰值增大;在相同接触面折减系数条件下,底部地震波输入产生的结构内力极值显著高于仅有Rayleigh波输入的情况;考虑Rayleigh波和地震波共同作用条件下,引起的管廊结构内力极值与仅考虑底部地震波输入时的结构内力极值差异不大。研究成果可供地下综合管廊结构地震响应精细化数值模拟及抗震设计参考。     

考虑预应力影响的壳-弹簧模型及其在预制地下管廊纵向抗震分析中的应用

利用ABAQUS有限元软件,采用壳单元模拟管廊结构,非线性地基弹簧单元模拟土-结构相互作用,非线性弹簧单元模拟带止水橡胶的承插式接头和预应力钢绞线,提出了一种考虑预应力影响的预制地下管廊纵向抗震分析的壳-弹簧有限元模型,并基于反应位移法分析了某拟建预制地下双舱管廊在地震波作用下的内力和变形。研究表明:文中壳-弹簧模型充分反映了预制地下管廊纵向接头构造及初始装配预应力,以及地震作用下的结构真实变形及内力分布,适用于预制地下管廊的纵向抗震分析。     

地铁车站结构大型振动台试验与数值模拟的比较研究

根据可液化土层上土-地铁车站结构动力相互作用大型振动台模型试验结果,以软件ABAQUS为平台,将地基土-地铁车站结构体系视为平面应变问题,采用记忆型嵌套面黏塑性动力本构模型模拟土体的动力特性,采用混凝土动塑性损伤模型模拟车站结构混凝土的动力特性,建立了土-地铁车站结构非线性动力相互作用的有限元分析模型,对各种试验工况下地基土-地铁车站结构体系的地震反应进行了数值模拟,并与试验结果进行了对比,结果表明:数值模拟与振动台模型试验结果基本一致,体现出了相似的规律性,相互印证了计算分析的力学建模和振动台试验结果的正确性。     

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。     

非一致地震激励地下综合管廊振动台模型试验研究(I)——试验方法

针对浅层软土中埋设的矩形截面地下综合管廊进行了非一致地震激励下的振动台模型试验研究。作为首个此种类型结构非一致激励的振动台试验工作,本文主要介绍试验方法,重点包括试验方案设计、开洞试验模型箱与模型结构设计,根据试验的特殊要求而开发的土体滑移传感器和地下结构接头位移测量装置,以及人工合成输入地震波动时程的方法与步骤。上述试验设计方法可供今后类似试验工作参考。试验结果分析及数值模型验证结果将在后续系列论文中介绍。     

非一致地震激励地下综合管廊振动台模型试验研究(Ⅰ)——试验方法

针对浅层软土中埋设的矩形截面地下综合管廊进行了非一致地震激励下的振动台模型试验研究。作为首个此种类型结构非一致激励的振动台试验工作,本文主要介绍试验方法,重点包括试验方案设计、开洞试验模型箱与模型结构设计,根据试验的特殊要求而开发的土体滑移传感器和地下结构接头位移测量装置,以及人工合成输入地震波动时程的方法与步骤。上述试验设计方法可供今后类似试验工作参考。试验结果分析及数值模型验证结果将在后续系列论文中介绍。     

非一致地震激励地下综合管廊振动台模型试验研究(Ⅱ)——试验结果

本文以纵向非一致地震激励试验为主,对地下综合管廊振动台模型试验结果进行了分析,包括模型场地的加速度响应、结构的应变响应、结构和场地加速度响应关系、结构应变响应的原因、结构接头位移响应、结构在纵向非一致激励和一致激励下应变响应的区别。结果分析表明,本试验模型场地及模型结构设计合理,从中得到了关于地下综合管廊非一致地震激励作用下响应规律的一些新内容。     

超大冷却塔欠质量模型振动台试验研究

抗震研究中模型试验起着重要的作用。应用相似理论对超大冷却塔进行了欠质量试验模型设计,介绍了缩尺模型的特殊施工工艺,根据地震动三要素确定12条地震动用于冷却塔试验模型地震动输入,对超大冷却塔1∶30的模型在5m×5m的震动台上进行了试验。试验测试了超大冷却塔的自振频率,利用振动台模拟7度、8度设防烈度对超大冷塔模型进行了动力试验。应用数值模拟分析了冷却塔试验模型的地震效应,对比了试验测试结果与数值模拟分析结果,数值模拟分析结果与试验结果吻合较好。试验结果与分析结果表明,冷却塔有较宽的频率带宽。时程分析解与试验结果对比表明,采取梁柱模型分析超大冷却塔能很好地模拟冷却塔的动力特性。     

拱坝动力特性的试验研究与有限元分析

本文提出两座拱坝的动力特性的研究结果。对一座进行了原型振动试验,对另一座完成了原型与模型的振动试验以及动力有限元分析。试验的主要目的是确定坝的自振频率、振型和阻尼。有限元分析考虑了刚性地基与弹性地基两种情况,采用SAP程序计算了振型、坝率与地震反应。弹性基础模型的计算结果同原型和模型试验结果很接近。     

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。     

有限元数值模拟方法在华北地区地震地质研究中的应用进展

文中综述了近30年来有限元数值模拟方法在华北地区地震地质研究中的应用和发展情况,从华北地区地震地质数值模拟的有限元模型、有限元数值模拟所采用的实测资料以及模拟结果3方面进行了讨论,综合分析了华北地区有限元数值模拟从弹性到弹塑性、黏弹性和蠕变性,从二维线性到三维非线性,从连续变形到非连续变形,从个别资料的应用到GPS网络观测资料拟合的发展过程。简单阐述了华北地区有限元数值模拟工作的意义、存在问题和发展趋势     

软弱地层综合管廊三维非线性地震反应特性研究

软弱地层综合管廊在强震作用下易发生破坏。考虑土体非线性及水的影响,以苏通GIL综合管廊工程为依托,采用三维线性梁单元模拟螺栓与钢筋,对地震动进行幅值标定,建立三维精细化有限元模型,并根据不同地震动输入方式及强度,从衬砌应力分布、张开量及结构损伤角度分析综合管廊非线性地震反应特性。研究结果表明,45°共轭方向与拱腰位置处管廊受力较大,横向、纵向地震动作用下,随着地震动强度的增加,应力增加明显;横向地震动输入对管廊环间张开量的影响较小,当地震动达到峰值附近时,张开量增长明显,并在一定范围内波动;横向地震动对管廊结构损伤的影响较大,峰值加速度达0.3 g时,管廊内部结构在两端连接处及中间支撑处连接点出现拉压变形。     

黄土地区地铁车站数值模型及测试位置研究

介绍了黄土地区地铁车站振动台模型试验的测试设备与数据采集系统;基于ABAQUS有限元分析软件,采用有限元-无限元耦合的建模方法,对地震作用下黄土地区地铁车站的加速度反应、位移反应、应变反应,以及土-结构相互作用的接触土压力进行了研究。结果表明,结构构件交叉部位的应变反应及接触土压力较大。最后,根据地铁车站地震反应特点,研究了黄土地区地铁车站振动台模型试验中传感器的布置原则和布置方案,为试验获得可靠数据提供了重要保证。同时,本文得到的黄土地区地铁车站地震反应特点和规律,可为黄土介质模型试验及深度数值模型分析提供参考。     

地下综合管廊结构振动台模型试验与有限元分析研究

在地下结构的振动台试验中,模型箱的设计是影响试验精度的一个很重要方面,本文的试验中采用了层状剪切砂箱,以最大限度地减小模型箱边界效应.而如何在数值计算中对层状剪切砂箱进行模拟成为数值分析要解决的关键问题.本文就是以此为背景展开了探讨,提出用变刚度的方法来近似模拟层状剪切砂箱,通过数值模拟结果与试验结果的对比发现,效果较好.在自由场计算的基础上,对综合管廊结构的振动台试验进行了数值模拟,计算结果与试验结果对比较好,说明本文建模计算方法是正确的,为后续的研究提供了基础.