液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用振动台试验数值模拟方法研究

直接针对大型振动台模型试验,建立液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用数值模拟的二维分析模型和计算方法。根据桩基平面应变假定,将空间桩体转换成平面板桩,并考虑桩的尺寸效应;基于桩截面节点位移协调条件和平衡力系等效原理,建立四结点梁单元刚度矩阵且对Timoshenko梁杆单元刚度矩阵进行增广修正,以考虑桩的横向尺寸影响桩周土位移场分布的尺寸效应。根据有效应力原理进行土动反应分析,采用满足M asing准则的修正双曲线模型描述土动力变形的本构关系,同时考虑因孔压上升造成土体软化而对土动力性能的影响,由迭代法处理土的动力非线性。采用并联弹簧-阻尼器模拟计算域人工边界,以考虑边界波的反射作用对体系动力反应的干扰和土粘滞阻尼的影响。采用W ilson-θ逐步积分法计算体系的地震反应。通过与试验结果的对比分析,评估数值模拟的建模途径和计算方法的可靠性。     

小应变硬化模型(HSS)在Rayleigh波作用下场地响应分析中的应用

为研究冲击荷载或地震作用下产生的,以Rayleigh波为主的面波对浅层地表土体动力响应特征以及数值模拟中土层阻尼的设置方法,以厦门地区浅层的素填土及粉质黏土为研究对象,采用有限元动力分析,土体本构采用小应变硬化模型(HSS),利用模型本身的滞回环特性,输入变化的小应变参数,考察HSS模型的小应变参数对场地动力响应的影响,并与土体采用摩尔-库伦模型结合Rayleigh阻尼("MC+Rayleigh阻尼")的计算结果进行对比。研究表明:当采用带有滞回环的HSS模型时,波速随初始剪切模量Gref0的增大而增大,但振幅减小,残余变形量也有所减小;小应变参数γ0.7对波的影响较小;HSS模型能够给出残余变形量,而"MC+Rayleigh阻尼"由于本构模型为理想弹塑性模型,在卸载重加载条件下表现为纯弹性行为,无法反映出卸载重加载过程中塑性应变的积累及其累积阻尼效应;但HSS模型还不能够全面反映循环加载作用下塑性体积应变的累积,因此在考虑滞回阻尼的基础上,仍然建议借助Rayleigh阻尼来更加全面地模拟土体的实际阻尼特性。     

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。     

动荷载作用下基坑支护结构动力响应研究

应用Midas/GTS数值分析软件对车辆动荷载作用下基坑支护体系的动力响应进行了模拟分析。通过调整车速和车辆行驶位置系统地分析了不同车速行驶动荷载作用下基坑支护结构的内力及位移变化情况。研究发现,基坑桩锚支护体系中锚杆轴力随车速提升呈先增大后减小的规律,支护桩整体结构在车速动荷载影响下与锚杆轴力呈相同变化趋势,汽车在一定行驶速度范围内,随着车速的提升支护桩位移逐渐增大,达到波动峰值后位移变小;车辆距离基坑边线的行驶位置与桩锚支护结构受力变化呈非线性关系,距离越近影响变化越明显。结合具体工程实例,通过对现场监测数据分析并与数值模拟结果进行对比,结果表明,数值模拟与现场监测得到的基坑支护体系内力及位移变化规律一致,数值模拟技术工程指导效果显著。     

SV波在饱和土体自由表面的反射

基于饱和两相介质弹性波动方程分析SV波在饱和土体自由表面的反射问题,引入波动方程的势函数解答,求解出二维问题中SV波入射情况下饱和土体自由场的位移、速度、加速度和应力响应。在饱和土体自由场响应解析解基础上,建立SV波入射下饱和土体自由场静、动力有限元模型。建模中考虑了如下几方面因素:(1)在不同分析步,对土体单元赋予不同材料本构。通过*model change命令进行单元生死设定,从而实现在初始应力场平衡的静力状态下采用DuncanChang本构模型,而地震波动输入时采用Davidenkov动力本构模型;(2)采用多孔介质黏弹性人工边界条件,在人工边界上分别施加固相和液相介质的弹簧和阻尼来模拟饱和土体中能量的传播;(3)将地震波转化为作用在人工边界上的等效地震荷载,施加到人工边界节点上;(4)土体单元采用4结点平面应变孔压单元(CPE4P)。有限元计算与解析解比较结果表明:SV波在垂直入射和掠入射时,竖向位移响应为零;在45°左右入射时,水平位移响应最大;60°左右入射时,竖向位移响应最大。这些结论与解析解吻合较好,本文模型为建立土-结构动力相互作用模型打下良好的基础。     

饱和砂土地基中群桩侧向动力响应试验与数值模拟对比研究

可液化场地中桩基尤其是群桩的横向动力响应特性的研究,一直是国内外岩土地震工程领域关注的热点问题。由于桩-土-承台结构动力相互作用过程的复杂性,基于砂土-群桩-承台结构模型振动台试验,对饱和砂土中群桩侧向动力响应特性进行了分析。在此基础上,通过大型有限元软件OpenSees建立了三维模型,展开了数值模拟研究,并将数值模拟结果与试验结果进行了对比研究。结果表明:在正弦波输入下,无论是干砂还是饱和砂土试验,群桩承台加速度和位移时程与模拟承台加速度和位移时程在曲线趋势和峰值上基本吻合;在El-Centro地震波输入下,干砂和饱和砂土的模拟承台加速度时程曲线峰值和趋势与试验的比较吻合,而承台位移时程曲线频率比试验要高,但承台位移峰值基本一致。     

城市地下空间轨道交通结构抗震性能三维有限元动力模型

城市地下空间轨道交通结构较为复杂,采用反应位移法计算地震荷载下土层相对位移与结构上的等效荷载时,模型边界内力波存在严重的发射现象,导致抗震性能分析结果存在一定的偏差。采用一种新方法分析城市地下空间轨道交通结构抗震性能,采取MIDAS/GTSNX软件构建地下空间轨道交通结构的三维有限元动力模型,设定相关参数,利用人工边界处理应力波,保障三维模型边界内应力波不会形成发射现象,获取结构的剪力和弯矩,计算轴力。经测试实验证明,该方法能够有效分析地下交通结构的层间位移差、合剪力、合弯矩等抗震响应特性,准确度有提升。     

桩-土动力相互作用对桩基变形特性和受力性能的影响

本文研究水平地震作用下桩-土体系中桩基的地震反应,为桩基的抗震设计提供依据。以单桩为研究对象,建立有限元分析模型并加以验证,再根据场地条件选取输入波,分析了桩、桩-均匀土体、桩-分层土体3种模型处于弹性和弹塑性状态下的桩基的变形特性和受力性能。研究表明,桩动力分析时必须考虑桩周土的影响,若按静力法的桩-弹簧模型进行桩的设计会使桩身不安全。     

地下结构地震反应分析中材料非线性的影响

基于静、动统一数值分析方法,建立了考虑土与结构接触效应和材料非线性的地下结构地震反应分析模型,并利用通用有限元软件ANSYS对某地铁地下结构地震反应进行数值模拟,探讨了地下结构的非线性地震反应规律,并分析了材料非线性对地下结构地震反应的影响。结果表明:考虑土与地下结构材料的非线性特性后,地下结构在强地震作用下发生了较大的塑性变形,应力、应变最大值位置发生明显变化,应力、应变状态发生明显改变,而对位移、速度、加速度反应的影响不大。     

三级配混凝土梁在动荷载作用下的数值模拟

从三级配混凝土的细观层次出发,将梁的纯弯段视为由水泥砂浆,粗骨料及两者间的粘结带所组成的复合材料.采用既考虑应变率强化效应又计及损伤弱化效应的动力本构模型反映细观单元的损伤退化.通过自编的以位移控制的有限元程序对三级配混凝土梁在冲击荷载和三角形循环荷载作用下的破坏机制进行了数值模拟,给出了相应的应力-应变曲线和动弯拉强度.研究结果表明数值模拟所得的结果与实验结果吻合较好.     

基坑排桩对建筑抗震性的影响分析

以往对建筑抗震性影响因素的研究仅限于施工材料、技术手段等外部条件,忽略了基坑土体安全系数、基坑状态对建筑抗震性的影响,一定程度上削弱了建筑的抗震性能。本文从基坑排桩角度对建筑抗震性的影响展开分析,通过有限元强度折减法获取土体的安全系数与基坑状态的判断标准,在该标准下基于土体安全系数采用有限元强度折减法计算公式,获取各个土层计算参数。基于该参数使用ABAQUS有限元软件构建基坑排桩有限元分析模型(土体和桩体分别采用莫尔-库仑弹塑性模型和二维弹性模型)。实验采用所提分析方法,从基坑排桩排距、刚度两方面对建筑抗震性能进行分析。实验结果表明,当基坑排桩排距进行适当取值时,建筑抗震性越好;双排桩的刚度越大,建筑抗震性越好,且随着刚度的增加建筑抗震性能趋于平稳。     

回填土场地强震动性质讨论

本文旨在讨论位于回填土场地上及回填土场地深挖基坑内的强震动观测仪所获得地震动是否是真实自由场地震动,若不是,其影响如何?结合回填土场地的强震动观测台站建设的实际情形,建立了回填土场地和回填土场地深挖基坑的有限元分析模型,基于集中质量显式动力有限元数值模拟方法,分析了回填土的波速和厚度、基坑尺寸对自由场地震动的影响.同时,提出了通过用重塑土置换回填土以降低回填土对自由场地震动影响的措施,并对重塑土置换回填土的效果进行了数值模拟分析.结果表明:回填土上和回填土深挖基坑内的地震动峰值和反应谱值与原始场地的均有明显的差异,随着回填土厚度和基坑深度的增加,其差异越大;通过重塑土置换回填土可以减小回填土对场地地震动的影响.本文所得关于回填土、基坑和重塑土的影响规律可为回填土场地上强震动观测结果的合理利用以及强震动观测台站建设提供依据.     

A plane strain soil-structure interaction model

A plane strain model for dynamic soil-structure interaction problems under harmonic state is presented. The boundary element method is used to study the response of a homogeneous isotropic linear elastic soil. The far field displacement at the free surface is approximated by an outgoing Rayleigh wave. The finite element method is used to describe the response of the building, of the foundation and possibly of a finite part of the inhomogeneous non-linear soil. Two coupling procedures are described. The model is applied to a problem previously studied in the antiplane case. Incident P, SV and Rayleigh waves are considered. The results show an amplification and an attenuation of the structure motion with frequency when incident Rayleigh waves and P, SV body waves are respectively considered.     

Evaluation of the effect of earthquake frequency content on seismic behavior of cantilever retaining wall including soil–structure interaction

A three-dimensional backfill–structure–soil/foundation interaction phenomenon is simulated using the finite element method in order to analyze the dynamic behavior of cantilever retaining wall subjected to different ground motions. Effects of both earthquake frequency content and soil–structure interaction are evaluated by using five different seismic motions and six different soil types. The study mainly consists of three parts. In the first part, following a brief review of the problem, the finite element model with viscous boundary is proposed under fixed-base condition. In the second part, analytical formulations are presented by using modal analysis technique to provide the finite element model verification, and reasonable agreement is found between numerical and analytical results. Finally, the method is extended to further investigate parametrically the effects of not only earthquake frequency content but also soil/foundation interaction, and nonlinear time history analyzes are carried out. By means of changing the soil properties, some comparisons are made on lateral displacements and stress responses under different ground motions. It is concluded that the dynamic response of the cantilever wall is highly sensitive to frequency characteristics of the earthquake record and soil–structure interaction.     

考虑地基土液化影响的桩基高层建筑体系地震反应分析

本文建立了土体－结构体系地震反应分析的混合有限元法，并研究了地基土液化对地震反应的影响。本方法把土体－结构体系简化为一个完整的体系，该体系由梁（柱）单元、剪切杆单元、刚体单元、平面四边形等参单元与三角形单元、界面单元的任意组合来模拟。桩与上部结构材料视为线弹性体，土介质视为非线性材料。土的静应力－应变关系之间的非线性用邓肯一张模型来描述；土的动应力－应变关系之间的非线性和振动孔隙水压力对土的软化效     

液化场地桥梁群桩-土耦合体系强震反应分析

针对振动台试验,采用u-p形式控制方程表述饱和砂土的动力属性,选用土的多屈服面塑性本构模型刻画饱和砂土和黏土的力学特性,引入非线性梁-柱单元模拟桩,建立试验受控条件下液化场地群桩-土强震相互作用分析的三维有限元模型,并通过试验结果验证数值建模途径与模拟方法的正确性。以实际工程中常用的2×2群桩为例,建立桩-土-桥梁结构强震反应分析三维有限元模型。基于此,针对不同群桩基础配置对液化场地群桩-土强震相互作用影响展开具体分析。对比发现,桩的数量相同时,桩排列方向与地震波输入方向平行时比垂直时桩基受力减小5%~10%,而对场地液化情况无明显影响;相同排列形式下,三桩模型中土体出现液化的时间约比双桩模型延缓5s,桩上弯矩和剪力减小33%~38%。由此可见,桩基数量增加,桩-土体系整体刚度更大,场地抗液化性能显著,桩基对上部桥梁结构的承载性能明显增强,其安全性与可靠性更高。这对实际桥梁工程抗震设计具有一定的借鉴意义。     

P波入射时含圆柱形空腔板弹性波散射与动应力集中

采用波函数展开法给出了板的横截面处孔洞在平面P波入射下动应力集中问题的解。本文使用大圆弧假定法来满足板中的自由表面的边界条件。数值结果表明,上表面和孔洞间的距离与下表面和孔洞间的距离都对结果有影响。如果孔洞半径相对板的厚度很小,解近似等于孔洞全空间解。所给出的解是半解析解。因此能被用来验证诸如BEM,FEM,FDM等数值法。     

双相各向异性介质中弹性波方程的有限元解法及波场模拟

基于双相各向异性介质模型,首先推导了双相各向异性介质中弹性波传播的动力学方程及其Galerkin变分方程和有限元运动方程,然后给出了孔隙弹性波方程的有限元数值解法以及二维双相PTL介质中波场模拟的人为吸收边界条件. 最后,利用本文给出的有限元方法对双相PTL介质和双相各向同性介质中的弹性波传播进行了数值模拟. 结果表明:有限元方法和吸收边界条件有效、可行,在理想相界条件下,不论是从固体位移,还是从流体位移的波场快照都能看到明显的慢速拟P波;在黏滞相界情况下,能否观察到慢速拟P波,与含流体地层介质的耗散性质有关.对实际含流体介质,从流体位移分量的波场快照比从固体位移波场快照更容易观察到慢速拟P波.     

考虑强震激励的某核岛厂房非岩性地基不同处理方案的对比研究

如何选取非岩性地基的处理方案对于不满足抗震适应性要求的核岛厂房地基而言具有重要的工程实用价值。结合国内某内陆核电不符合抗震适应性要求的实际厂址条件,给出地基处理方案评价的数值计算模型及分析过程。首先针对该核电工程实际项目,提出嵌岩桩、CFG桩及水泥土搅拌桩三种地基预处理方案,并以规范法验证处理后地基的承载力要求;进而通过建立非岩性地基条件下的桩-土-结构动力相互作用计算模型来综合考虑各方案对核岛厂房的地震响应影响,其中通过引入黏性人工边界和能量传递边界模拟无限地基辐射阻尼效应,采用等效线性法描述近场地基非线性特征,并基于上述有限元模型以全耦合方式考虑群桩效应的影响;最后从满足厂址地基适应性和经济效益两方面进行综合评价,给出针对本工程的最佳设计方案。该分析方法及研究成果可为类似条件下的核岛厂房非岩性地基处理方案的比选问题提供借鉴与参考。