Study of Nonlinear Seismic Response and TMD Primary Control of the Cable-Stayed Bridge Section of the Third Macao-Taipa Bridge

The practical design of the cable-stayed bridge of the 3rd Macao-Taipa bridge is investigated by the finite element analysis program ANSYS, and 3-D elements BEAM188 and BEAM4 are adopted to create a dynamic calculation model. In order to analyze the material nonlinear seismic response of the cable-stayed bridge, the nonlinear behaviors of the ductile plastic hinges of the bridge towers are taken into account by employing the nonlinear rotational spring element COMBIN40. To simulate a major earthquake, three earthquake records were chosen using a wave-choosing program and input into the bridge structure along longitudinal and transversal directions. Comparisons of the linear and nonlinear seismic responses of the cable-stayed bridge are performed. In addition, a study of TMD primary control is carried out using element MASS21 and element COMBIN14, and it is indicated that the effects of mitigation monitoring are evident.     

边坡稳定的非线性有限元分析

基于有限元强度折减法,进行了边坡的弹塑性材料非线性及大变形几何非线性分析,并考虑了边坡的三维变形情况。在有限元分析中采用的是莫尔-库仑理想弹塑性模型,大变形分析采用的是更新的拉格朗日法。均质边坡的算例分析表明,有限元法与简化的毕肖普法的安全系数计算结果具有相同的规律,即安全系数都随着黏聚力及内摩擦角的增加而增加,随着重度的增加而减小,但是,各种有限元法的计算结果都比相应的毕肖普法的解要大,亦即毕肖普法偏于安全。各种方法对应的安全系数由大到小的顺序依次是：三维小变形有限元分析、二维大变形有限元分析、二维小变形有限元分析,简化的毕肖普法,前二者能更好地反映实际的边坡变形情况,二者的安全系数值也十分接近,因而是较好的方法。     

基桩屈曲的几何非线性有限元分析

将桩身视为空间受力的梁单元,利用更新的拉格朗日坐标体系考虑梁单元的几何非线性;并采用弧长控制法求解有限元非线性方程组,进行基桩屈曲的几何非线性有限元分析。利用Matlab语言编制了相应的计算程序,将某现场木桩压屈试验实测屈曲临界荷载与理论分析比较,吻合良好。大量计算分析表明,桩周土地基系数、基桩埋入比、桩身材料和基桩长细比是影响基桩屈曲荷载大小的重要因素,在设计和施工中都应重视和考虑。     

土的量化记忆模型及其参数确定

土的真非线性分析要求追踪应力-应变历史,寻求滞回圈上应力-应变的瞬时切线模量。由于地震荷载的随机性,实际土体的应力-应变历史轨迹非常复杂。基于传统模型的骨架曲线和滞回圈表达式进行这类分析的难度很大。作者介绍的量化记忆模型是为土的动力真非线性分析提出的,它是将单调加载情况下呈非线性变化的切线模量量化,记忆为一种分段线性分布的几何结构,并通过对这种结构加以变换,以描述循环加载情况下具有滞回特性土料的动应力-应变关系。在试验的基础上,运用非线性最小二乘法,确定了量化记忆模型中的 , , , , , 6个参数,并将量化记忆模型生成的应力-应变关系曲线与试验曲线进行了比较。结果表明,量化记忆模型是有效可行的。     

A variationally consistent hyperstatic reaction method for tunnel lining design

In this technical note, a consistent finite element formulation of the Hyperstatic Reaction Method (HRM) for tunnel linings design is proposed by introducing a variational consistently linearized formulation. It permits to consider a nonlinear interaction between a lining structure and the surrounding ground. Recent advances of the HRM in regard to the consideration of the nonlinear response of the segmented tunnel lining exposed to design loads use an iterative algorithm for solving the nonlinear system of equations. In the proposed Variationally consistent Hyperstatic Reaction Method (VHRM), a distributed nonlinear spring model representing the interaction between the lining and the ground soils is considered in a variationally consistent format. Computing the tangential spring stiffness via consistent linearization, and using Newton-Raphson iteration, requires significantly smaller number of iterations as compared to the original HRM model based on nodal springs. Furthermore, the method is applicable for simulations using solid finite elements (2D and 3D), as well as beam or finite shell elements, respectively.     

钢纤维混凝土深梁非线性有限元分析在ANSYS中的实现

运用大型有限元软件ANSYS对钢纤维混凝土深梁进行非线性分析,详细地探讨了钢纤维混凝土和钢筋的本构模型、单元特性,并基于Nilson黏结滑移理论,考虑钢筋与钢纤维混凝土之间的相互作用。采用ANSYS参数化设计语言（APDL）参数化建模,完成了非线性分析。与试验结果比较表明,在ANSYS中钢纤维混凝土采用Solid65单元、钢筋采用Pipe20单元及其相应的本构关系和破坏准则模拟钢纤维混凝土受力全过程,并用Combin39三维非线性弹簧单元模拟钢筋与钢纤维混凝土之间的黏结滑移可取得满意的结果。     

基于刚体平动运动单元的上限有限元研究

刚性块体极限分析上限法常应用于岩土工程稳定性研究,然而应用时需假定刚性块体破坏模式并递推繁琐的几何关系。为此,提出一种适应性更广的基于非线性规划模型的刚体平动运动单元上限有限元法,并解决了其优化模型初始值的确定问题。通过引入有限单元思想,将计算区域离散成刚体单元,同时以单元速度和节点坐标作为决策变量,由上限定理建立非线性规划模型获得上限解。利用编制的上限有限元程序进行边坡和浅埋隧道稳定性算例验证,表明运动单元上限有限元法能调整速度间断线至较优方位,所得破坏模式特征鲜明,上限解精度高,可广泛应用于边坡、隧道等稳定性分析研究。     

针对砂土应变软化强非线性问题的动态松弛有限元法研究

对于密实砂土峰值后应变软化特性引起的材料强非线性问题,利用常规有限元所采用的隐式算法很难求解,而动态松弛法在求解这类非线性问题方面却具有独特的优势。针对砂土应变软化强非线性问题,将动态松弛法与有限单元法相结合,提出了一种新的动态松弛有限元法。该方法根据动态松弛法的显式特性,由中心差分法导出了动态松弛有限元法的基本控制方程,并实现了对应力-应变空间中整个平衡路径的追踪。将动态松弛法嵌入到非线性有限元程序中,即可对砂土材料应变软化引起的强非线性问题进行有限元数值计算。该有限元程序中,应力更新采用回归映射算法。最后通过对砂土平面应变压缩试验进行有限元模拟,验证了动态松弛有限元法在求解材料强非线性问题方面的优越性。     

ADINA有限元软件中材料本构的二次开发

美国ADINA R&D公司开发的软件产品ADINA经过20多年的商业开发,目前已成为全球最重要的非线性求解软件,尤其对结构非线性、流-固耦合等复杂问题的求解具有强大优势,被认为是非线性有限元发展方向的先导。然而,任何商业化的有限元软件都不可能满足客户的所有要求,例如,ADINA软件中没有岩土工程领域常用的Duncan-Chang模型。以土工数值分析中广泛应用的Duncan-Chang E-B模型为例,介绍在ADINA软件中进行材料本构二次开发的方法,给出了开发过程,通过对3个常规三轴压缩模型的数值模拟验证程序的可靠性。结果表明,基于ADINA开发的材料本构模型具有计算速度快、精度高和前后处理快捷方便的优点。另外,验证结果也表明该软件具有超强的非线性求解能力和可靠的求解结果。     

基于高性能有限单元的单桩稳定性分析法

现行的桩基设计方法主要基于线弹性理论及采用半经验假定,难以准确地检验长桩在土体非线性条件下的稳定性。基于非线性有限单元分析理论,提出了高性能桩单元分析法用于非线性分析,可直接检验单桩稳定性且无需假定桩的计算长度系数。在桩单元推导过程中,通过整合在单元内部的连续弹簧以考虑土-结构相互作用（SSI）,能够大幅提升计算效率。使用牛顿-拉夫逊迭代法进行迭代运算,利用推导的相应单元切线刚度矩阵预测位移,并通过割线关系减少每一步迭代中产生的误差,在桩的大变形条件下采用更新拉格朗日法确定平衡条件。算例验证表明,桩单元模型在考虑土体非线性条件下,能高效、可靠地对单桩进行分析和设计。     

A novel nonlinear solution for the polygon scaled boundary finite element method and its application to geotechnical structures

The polygon scaled boundary finite element method is semi-analytical and known for its high precision. However, the material nonlinearity cannot be maintained because this method uses an analytical solution in the radial direction. In this paper, a novel nonlinear algorithm is developed by introducing internal Gaussian points over a subdomain. The response of nonlinearity for a concrete-faced rockfill dam is modeled. The results correspond well with the results from finite element modelling, which demonstrates the method can be used to describe the nonlinear characteristics of geomaterials. Furthermore, this method offers promising flexibility for analyzing complex geometries without decreasing the precision.     

筒型基础防波堤稳定性简化计算方法

筒型基础防波堤是一种新型港口与海岸工程结构,依靠下部筒体沉入土中维持结构稳定。结合实际工程,建立了筒型基础防波堤稳定性分析的三维弹塑性有限元模型,得出了其失稳模式为绕基础筒底以下某点发生转动失稳。通过对结构进行极限状态受力分析,建立了基于实际转动点的结构稳定性计算方法,对稳定性计算模型和土体作用力计算公式等进行了检验。在此基础上,将转动点移至基础筒底部距结构中心线水平距离为h′的位置,以此作为结构倾覆破坏时的假想支撑点,建立了基于重力式结构稳定性验算模式的筒型基础防波堤稳定性分析的简化方法。通过不同基础尺度下计算结果的分析比较,建议了h′的取值。与有限元计算结果的比较表明,建立的简化计算方法具有较高的精度,可供实际工程参用。     

弹塑性土质边坡的ALE方法有限元分析

有限元法被广泛用于解决几何和材料非线性的问题,但标准的有限元方法难以有效解决某些材料的大变形问题和计算中的网格扭曲问题。任意拉格朗日-欧拉法（ALE法）吸取了拉格朗日和欧拉法的优点,并克服了两者的缺点,可用于解决仅用拉格朗日或欧拉有限元法所难以解决的问题。基于ALE有限元方法和弹塑性大变形基本原理,研究了岩土工程中土质边坡在自重作用下的稳定问题;计算结果不仅能直观地显示失稳时的大变形状态,并能确定较符合实际的临界滑移面形状;同时分析了含软弱夹层复杂土质边坡的稳定性。结果表明,ALE方法能有效分析土质边坡的稳定性问题,适用于岩土工程的弹塑性分析。     

靖边气田煤层地应力及井壁稳定研究

煤层地应力测量难度很大,煤层垮塌失稳力学机理的研究还无法深入。针对这一现状,利用含煤层系中硬岩层的地应力实测结果,以组合弹簧模型为基础,反求出构造作用引起岩层水平方向的应变量,以此来确定后续地应力有限元模拟的边界条件,将硬岩层的地应力实测、理论模型计算以及有限元数值模拟三者有机结合起来,反演得到煤层地应力状态,从而建立起一套含煤岩系等软岩层地应力研究新方法。利用该方法对靖边气田某区块LP-1井煤层井壁稳定进行了研究,结果表明：沿最小水平地应力方向钻井井壁稳定性最好,沿最大水平地应力方向钻井井壁稳定性最差,而沿最大和最小水平地应力角角平分线方向钻井井壁稳定性介于前两者之间。     

冲击挤密作用下土体变形机理的有限元分析

潜孔锤冲击挤密钻进过程中土体变形机理的分析是非常复杂的,既涉及到材料非线性、几何非线性,又涉及到界面接触摩擦,属于高度非线性问题。利用有限元分析软件ANSYS初步建立了潜孔锤在土中冲击挤密钻进的有限元模型,模拟分析了钻具周围土体的应力、应变位移情况。结果表明,冲击钻进过程中钻头下方土体随压力的不断增大而发生塑性流动,产生急剧变形而破坏。钻具周围的土被重塑和扰动,土的工程性质发生了较大的变化,孔壁周围比较密实稳定。      

强夯加固机理的非线性动态冲击显式有限元数值分析

根据强夯的特点,采用同时考虑几何非线性、材料非线性、状态非线性,并且考虑瞬态大变形的非线性动态显式有限元,分析了强夯对地基土的冲击碰撞过程。该方法克服了以往有限元计算强夯动力问题时需再引入其他的简化假定的已知量,能较实际地反映强夯加固的动力特性。通过对工程实例计算研究,取得了令人满意的效果。     

基于强度折减法的顺层路堑边坡土钉墙支护结构稳定性分析

将非线性有限元分析和极限分析相结合形成强度参数折减有限元法,可以灵活地分析强度不均匀顺层路堑边坡支护结构稳定性问题。将岩体力学理论、非线性有限元分析技术和强度折减系数法相结合,对顺层岩体路堑边坡稳定性进行分析。在对密集假设节理有限元模拟中,假设节理在岩体内连续分布,采用连续介质力学方法建立密集分布节理岩体材料模型。采用强度折减系数法计算岩体结构安全系数,建议采用给定的岩体强度参数计算节理岩质边坡开挖、支护完毕后的内力,再逐渐降低岩体强度参数进行岩体边坡非线性有限元分析,直至岩体边坡达到极限状态,从而求出岩质边坡安全系数。采用该方法对渝怀铁路梅江河右岸DK409+989.4～DK410+020段顺层路堑边坡土钉墙支护结构稳定性进行分析,分析结果表明：采用土钉墙支护后的节理边坡塑安全系数为2.3,支护后的岩质边坡处于稳定状态;土钉墙潜在破裂面为岩体弹性区和塑性区的交界面,与测试得到的各排土钉拉力最大值位置一致。     

Roof deflections and sag in jointed,horizontally bedded strata — A numerical study

Conclusions A nonlinear finite element model with discrete joint modelling capability is developed. A semi-empirical equation introduced for determining the maximum deflections of clamped and vertically jointed roof beam is verified using a nonlinear finite element model. The mechanism of stability is also investigated numerically and concluded that the formation of Voussoir arch (Parobolic compressive zone) plays a major role in the overall stability of beam roofs over underground openings. Approximate linear equations are obtained for three joint spacings of 800, 400 and 200 mm, relating the maximum deflection of the beam and joint width for a given joint spacing.     

横向扩展液化土中单桩-土系统的非线性分析

将地震液化场地分为地表的上覆未液化土层、底部的未液化基层以及夹在两者之间的液化土层,基于桩-土相互作用的非线性Winkler模型,考虑桩弯曲的非线性弯矩-曲率本构关系和桩的几何非线性变形,建立了液化土层横向扩展下桩非线性大挠度变形的基本控制方程,并利用打靶法进行了数值求解。同时,给出了桩线弹性小变形情形下的解析解。通过与非线性有限元解和线弹性小变形解析解的比较,验证了文中打靶法的有效性和可靠性。用数值方法分析了液化土层横向扩展对桩力学性能的影响,结果表明：非线性桩-土相互作用和桩材料非线性效应强于桩的几何非线性效应,随着液化土层横向扩展位移的增加,几何非线性效应逐渐增大,此时,应采用完全非线性模型进行桩力学行为的分析。     

基于P-Y曲线法的水平受荷桩非线性有限元分析

P-Y曲线法是一种非线性地基反力法,它考虑了土的非线性特性、分层特性、不同土类及荷载类型等因素,适用于分析横向荷载作用下有较大变位的桩结构物。从Newmark方法弹簧支座的概念出发,建立了桩土相互作用体系的接触非线性有限元分析模型,采用复合地基反力法的P-Y曲线公式,推导了作用于桩上的非线性弹簧弹性系数的计算公式,基于marc有限元软件编制了相应的计算程序,基于一阶Taylor随机有限元的思想,给出了土性参数对泥面位移的敏感性计算公式,结合试桩资料的计算结果验证提出方法是合理可行的。