桥梁-桩-土相互作用三维地震反应分析方法

利用大型有限元通用软件ANSYS/LS-DYNA及其并行运算功能,提出了一种大跨度斜拉桥在地震作用下考虑SSI效应的三维整体时程反应分析方法,比较了考虑桥梁结构线性和非线性两种情形的计算结果,并对其计算效率进行了探讨。     

地震作用下承台桩-土动力相互作用数值模拟分析

基于已开展的非液化场地-群桩基础-结构体系动力响应大型振动台模型试验,进行三维全时程动力数值模拟分析。采用修正的Davidenkov模型反映土体在地震反应过程中的模量衰减,通过“捆绑边界”模拟模型箱的层状剪切运动。通过对比试验中土-结构体系加速度响应时程、土体位移和桩基内力等,验证数值模型的有效性。利用已验证的数值模型,开展承台尺寸对桩-土-上部结构动力响应影响研究。结果表明,承台厚度的增大会导致上部结构和桩顶惯性效应减小;地震作用下沿激振方向前桩大于后桩,随着承台厚度的增大,前桩与后桩峰值弯矩差值率为16.1%～32.1%,群桩效应影响增大;随着承台厚度的增大,承台-土动土压力增大了3～6倍,承台与桩基水平荷载分担比增大,桩基弯矩反弯点位置上移了0.50 m;承台-土的相互摩擦作用会降低结构整体动力响应。     

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。     

考虑土-结构相互作用的大跨度斜拉桥非线性地震反应分析

运用大型有限元通用软件ANSYS/LS-DYNA及其并行运算功能,进行了考虑土-结构相互作用的大跨度斜拉桥地震反应分析。考虑混凝土、土介质和悬索材料的非线性与考虑材料线弹性的计算结果比较表明,考虑材料非线性情况时,由于进入塑性阶段后的能量耗散,内力比考虑线性情况时小;而进入塑性阶段后,结构刚度变小,运动量要比考虑线性情况时大。     

桩-土-结构动力相互作用的线弹性地震反应分析

采用集中质量法(简化模型)，用ANSYS软件作为桩—土—结构动力相互作用分析的工具，建立了小震下钢筋混凝土剪切型结构考虑桩—土—结构动力相互作用效应的计算模型，进行了桩—土—结构相互作用线性体系的模态分析，研究了考虑桩—土—结构相互作用体系的自振特性；进行了小展下桩—土—结构相互作用体系弹性地震反应时程分析，研究了土—结构动力相互作用效应对结构地震反应的影响；得出如下结论；考虑桩—土—结构相互作用效应后，结构体系的自振特性及结构的地震反应将有所改变。     

桩-土-结构相互作用弹塑性地震反应分析

采用动力有限元时程分析方法，以多高层框架结构为对象，研究了水平地震作用下桩-土-结构相互作用时上部结构弹塑性动力特性和规律。结果表明，弹塑性分析和弹性分析引起的结果有较大的差异；考虑弹塑性相互作用后柱的剪力、轴力和弯矩在不同的楼层有放大现象，按折减方法来考虑相互作用并非总是安全的，柱的剪力、轴力、弯矩和等效应力的折减系数沿楼层变化曲线不尽相同，应引起注意。     

桩-土-结构相互作用地震反应分析

从桩-土-结构在地震作用下的受力分析出发，考虑平面应变假设，用有限元法(FEM)建立相互作用系统的模型。文中用地震动反演法处理土层的动力放大现象，用读入刚度单元来处理不同类型单元交界处的连续问题。最后，结合实际工程进行相互作用体系的地震反应计算，得出了一些有用的结论。     

桩-土-结构相互作用对结构弹塑性变形特性的影响

在桩-土-结构弹塑性动力相互作用模型研究的基础上,设计了考虑场地类别、输入地震动等因素的基于相互作用模型的多层和高层钢筋混凝土框架结构算例,分析了桩-土-结构相互作用对结构弹塑性变形特性的影响,并与不考虑相互作用的结构底部固端模型的计算结果进行了对比。分析表明:相互作用对结构的弹塑性变形的影响不容忽视,考虑相互作用后梁柱塑性铰出现的程度降低;结构底部位移增加而顶部位移减小;薄弱层的层间位移可能增加而其余层的层间位移则减小。现行的结构弹塑性变形验算方法未考虑土-结构相互作用的做法的合理性值得进一步评判。     

地震载荷作用下土-结构相互作用的数值分析

用流固两相混合物连续介质理论研究了土-结构物耦合体系的动力响应，采用有限元方法计算了建筑物基础体系受地震波激励的响应问题．给出了随时间变化的变形图和孔隙水压力等值线分布图、某节点位移和某单元剪应力随时间变化的曲线．本项研究加深了对多孔介质耦合性状的认识，本文所提供的方法能有效地应用于从缓慢的准静态到很快的地震激励这样相当广泛的荷载条件．      

土-桩-框架结构非线性相互作用的精细数值模型及其验证

利用有限元软件ABAQUS,建立了土-桩-框架结构非线性相互作用（SSI）的二维精细有限元模型,分别采用记忆型粘塑性嵌套面模型和损伤塑性模型模拟土体和混凝土材料,采用梁单元和rebar单元模拟RC桩基及其内部纵筋,采用接触面对法模拟桩土接触效应,取得了良好的计算效果。将自由场、框架、土-桩-框架结构模型的分析结果和其它成熟的计算软件进行对比,验证了数值模型的有效性。分析发现：桩基外侧靠近承台处的土体的非线性反应很强烈,而桩基内部土体的非线性反应较小,很大程度上只是跟随群桩一起运动。由于桩土动力接触,桩顶的加速度反应可能超出上部结构,并且桩顶的加速度时程曲线上有非常明显的＂针＂状突变。随着地震动强度的增加,上部框架逐渐表现出单自由度体系的动力特征,加速度反应谱有从多个波峰退化为单一波峰的趋势。     

考虑SSI效应储油罐的子结构实验方法与数值模拟

提出了应用振动台子结构试验方法来研究考虑土-结构相互作用（SSI）效应储罐的抗震性能,该方法将土体简化为双自由度八参量集总参数模型进行模拟,储罐作为试验子结构应用振动台加载,两部分联机完成振动台子结构试验。该方法能完成大比例尺储罐试验,具有传统试验方法难以比拟的优势。然后,通过数值模拟分析了SSI效应对储罐动力响应的影响。分别研究了不同储液高度和不同地基刚度对储罐位移和加速度响应的影响。研究结果表明：考虑SSI效应时,罐体位移响应和加速度响应均有所减小,土质越软,效果越明显;随着储液高度的增高,位移、加速度反应呈现减小趋势。     

某水工隧洞爆破震动对周边建筑物影响的试验分析

隧道开挖时的爆破震动对周边建筑物安全影响很大,但目前对不同爆破参数、周边建筑的距离与爆破开挖之间关系的研究成果不多,实际工程中也难以把握。以宁夏固原市某水工隧道工程为依托,采用现场试验的方法,对地表关键位置质点爆破振动频率与振动速度进行测试和分析。结果表明:(1)经测试发现房屋主振频率在10~60Hz间,而一般房屋建筑的频率均小于10Hz,说明此次试验中爆破震动不能与房屋产生共振。(2)对试验数据进行分析,并依据爆破震动规范安全振速标准进行判别,发现此次试验中土坯房的安全距离为160 m,一般砖房为60 m。研究结果可为隧道爆破的设计与施工提供理论依据,为类似隧道的爆破工程及解决由爆破引起的纠纷提供借鉴。     

爆炸荷载作用下方钢管混凝土柱的动力响应及破坏机理

方钢管混凝土柱是被广泛采用的组合构件之一。爆炸发生时产生的爆炸冲击波可能会对框架结构内部的方钢管混凝土柱造成严重破坏,然而目前对其动力响应及破坏机理的研究成果相对较少。本文采用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对爆炸荷载作用下方钢管混凝土柱的动力响应和破坏机理进行了研究分析。建立了方钢管混凝土柱实体有限元模型,其中混凝土采用HJC模型,方钢管采用考虑应变率的塑性随动强化模型,爆炸荷载施加在柱子一侧表面。通过对方钢管混凝土柱的破坏过程的模拟,比较分析了其在不同＂比例距离＂下的动力响应和破坏形式,进而得出方钢管混凝土柱的破坏机理。在爆炸荷载作用下,方钢管对其核心混凝土有一定的约束作用,使其处于复杂应力状态之下,从而使混凝土强度得以提高,塑性和韧性同时得到改善;同时,由于混凝土的存在,延缓了方钢管柱底和柱顶过早地发生局部屈曲。随着＂比例距离＂的增大,柱中水平位移逐渐减小。结果表明,方钢管混凝土柱具有良好的延性、优越的抗爆性能,所提出的破坏机理可供结构抗爆设计的进一步研究参考。     

超高层建筑风致振动的现场实测与数值模拟

通过采用现场实测和数值模拟方法,对某超高层建筑的风致振动特性进行研究。在建筑物顶部布置结构振动监测系统,对常态风和台风作用下的结构振动响应进行测量,分析加速度、位移幅值和结构的自振特性。以实测动力特性为基础,建立超高层建筑的等效气动弹性模型,采用平均风剖面入口,联合ANSYS和CFX对风场与建筑物的流固耦合振动进行数值模拟,得到不同顶部风速下,建筑物不同高度处的位移时程、气动力系数时程及频谱分析、尾流旋涡脱落模式。将数值模拟结果与现有的实测结果进行对比分析,表明该方法模拟流固耦合振动是可行的,并可为实际超高层建筑的抗风设计和舒适性计算提供技术依据。     

采石场周边民房爆破振动效应评价及衰减关系

为了避免福岭采石场爆破施工对周边民房的影响,布设4个测试点,对不同药量及距离产生的爆破振动给附近民房带来的影响进行监测和分析,得到了振动衰减关系及该采石场爆破施工对附近民房影响的安全距离。当保护对象距离为200 m时,96 kg药量,振动速度为0.45 cm/s,达到土坯房和毛石房屋容许振动的上限值。     

基于OpenSees的防屈曲支撑加固钢筋混凝土框架数值模拟

提出了一种既有钢筋混凝土框架结构的抗震加固方法,该法采用防屈曲支撑提高框架结构体系的水平承载力和耗能能力,利用外包钢进一步提高柱子的抗弯和抗剪承载力。采用开源有限元程序OpenSees,分别建立空钢筋混凝土框架和防屈曲支撑加固钢筋混凝土框架的分析模型,对2榀钢筋混凝土框架的抗震性能进行模拟。防屈曲支撑采用了弹塑性桁架单元模型,加固框架柱混凝土考虑了外包钢的约束作用。将分析结果与拟静力试验结果进行比较,以检验分析模型的准确性,以及研究防屈曲支撑和外包钢对混凝土框架抗震性能的影响。分析结果表明,数值模拟与试验结果吻合较好,验证了基于OpenSees建立的数值模型的准确性;外包钢有效改善了框架柱的抗弯承载力和变形能力;防屈曲支撑显著提高了加固框架体系的水平刚度、水平承载力和耗能能力。     

水库输水隧洞施工爆破振动对大坝安全影响监测及分析

阐述柏峰水库除险加固工程主坝输水隧洞施工爆破振动对大坝安全影响。选择有代表性的几个部位,采用原位质点振动速度测试的方法对整个施工期间爆破振动对大坝安全影响进行全过程监测与分析。对实测结果分析表明,爆破振动对大坝安全未产生明显的危害。监测成果可为工程爆破振动安全评价提供科学依据。     

无矩阵迭代法在膜结构风振耦合分析中的应用

提出在采用浸入物体法（IOM）对膜结构和空气流体建模时,可以采用带有预定条件的无矩阵Newton-Krylov迭代算法求解浸入物体法,并引入了预定条件矩阵。将提出的无矩阵迭代方法应用于一双坡型膜结构的风振耦合分析中,得出了结构的风压和风速分布,并对带有预定条件和不带预定条件的无矩阵迭代算法进行了对比。结果表明,将带有预定条件的无矩阵迭代算法应用于膜结构风振的耦合分析中,可以得到准确结果,并使计算效率大大提高。