结构-地基动力相互作用的时域模型

结构-地基动力相互作用是结构地震响应分析及安全评估的一个非常重要课题。基于比例边界有限元法,提出了一种新颖的结构-地基动力相互作用的时域模型,即采用比例边界有限元子域模拟近场有限域部分,采用高阶透射边界模拟远场无限域部分。通过采用连分式展开和引入辅助变量,有限域的动力方程采用高阶的静力刚度矩阵和质量矩阵表示。高阶透射边界精确满足无限远处的辐射边界条件,具有全局精确、时间局部和收敛速度快等优点。它是基于改进的连分式法求解无限域动力刚度矩阵而建立的,在时域里表示为一阶常微分方程组。通过联立有限域和无限域的运动方程,建立了结构-地基相互作用的标准动力学方程,采用Newmark法可直接求解。3个算例结果表明,该算法在时域里比黏弹性边界更精确、有效。     

三维黏弹性介质人工边界研究

为了得到适于分析非线性结构-地基相互作用问题的人工边界,结合弹性波理论与黏弹性理论,推导出了适于模拟三维黏弹性远场介质辐射阻尼的人工边界,并对其模拟远场地基辐射阻尼的性能及相应地震波动输入方法进行了研究。结果表明：在结构-地基动力相互作用问题中,得到的黏弹性人工边界模拟计算域外远场黏弹性介质的辐射阻尼具有理想精度;不论是简谐波还是非简谐波,地震波动输入都取得了理想结果;在黏弹性介质条件下自由地表处的总场位移幅值n是输入波幅值的 倍。     

一维问题的等效远置动力人工边界条件

在土-结构动力相互作用分析中,黏性人工边界条件和黏弹性人工边界条件虽具有计算效率和精度较高的优点,但施加边界单元的工作量较大;远置边界虽然具有处理技术简单、精度高等优点,但又存在计算成本高的问题。为克服黏性人工边界和黏弹性人工边界施加边界黏弹性单元工作量大、远置边界计算成本高的缺点,基于波的传播理论和波在介质交界面上的反射、透射原理,通过设置完全透射层并大大降低波在透射层的传播速度的方法,提出了一种等效远置动力人工边界条件并对其进行数值验证分析。研究结果表明,所提出的等效远置动力人工边界条件仅需通过合理选取透射层的参数,即可实现反射波向无限地基传播的模拟,具有精度和效率较好、不需施加边界单元工作量等优点,可应用到土-结构动力相互作用分析当中。     

黏-弹性人工边界在双江口土石坝动力分析中的应用

应用黏-弹性人工边界于双江口土石坝的动力响应分析中,考察了黏-弹性人工边界及地基辐射阻尼效应对土石坝动力响应的影响程度。计算果表明,该方法比传统的固定边界无质量地基下的大坝加速度动响应结果降低了15%~30%,在土石坝的动力响应分析中应当予以重视。     

土与结构相互作用体系动力特性研究

建立了土与结构相互作用体系动力特性的分析方法-频响函数法.对于土与结构相互作用体系,在弹性半空间地基分析的基础上,考虑了地基土分层特性、地基土的非线性效应以及基础埋深对相互作用体系动力特性的影响,结合实际算例,研究表明土的分层特性和土的非线性特性对相互作用体系的动力特性有重要影响.     

褥垫层作用下复合地基抗震性能有限元分析

采用大型非线性有限元程序ADINA,针对复合地基-基础-上部结构典型算例,建立了计算模型,并进行了有限元动力时程分析。计算模型中,桩体、桩间土、垫层、基础采用简化的线弹性模型,分别定义材料类型;上部结构采用弯矩曲率梁算法进行计算;在边界设置黏性边界模拟无限域中的动力人工边界。通过数值计算研究了不同桩体刚度对自由场地加固区地表和非加固区地表位移峰值和加速度峰值和桩身所受到的弯矩及剪力的影响;研究了上部结构在不同垫层性质（不同刚度和不同厚度）作用下的动力反应,从而得出垫层的合理设置,为复合地基设计施工提供依据。     

板-复合地基动力分析半解析元法

将复合地基视为横观各向同性材料,利用半解析数值方法的基本原理分析板-复合地基动力相互作用问题,克服有限元法中人为设定计算边界的弊端,提高了计算精度,并将三维问题转化为一维问题计算,显著减少了计算工作量。通过改变复合地基置换率、加固深度和桩土模量比,研究了板-复合地基体系动力特性的变化规律。计算结果表明,增大加固深度、置换率和桩土模量比对系统频率和振幅均有影响,并使频率有一定的提高,动力基础设计时,应注意复合地基置入对基础动力特性改变的影响。     

层状地基-非线性结构系统地震响应特性分析

根据从系统能量导出的地震动力方程,采用渐近解析法对层状地基 非线性结构系统的地震响应进行了分析,给出了共振区的振幅-频率以及相位-频率的解析公式,并对地基参数的不同取值,给出了一系列相应的计算结果。进而根据计算结果分析了地基参数对结构地震响应特性的影响,讨论了共振区畸变、振幅的分叉和突变现象以及“路径”效应等非线性动力特性。分析结果表明,同一类别地基的参数变化对结构的动力特性有显著的影响,按现行抗震设计方法对层状地基 非结构系统进行抗震分析时,可能产生较大的偏差,需考虑相互作用和非线性特性,以使设计参数更合理和优化。     

刚性桩复合地基抗震性能的有限元分析

近年来刚性桩复合地基在工程中的应用日益广泛,但是,对该种复合地基在动力荷载下,尤其在是地震作用下的动力响应性状却研究很少。考虑地震作用下土-桩-上部结构之间的相互作用,采用三维有限元方法,对刚性桩单桩复合地基的地震响应进行时域内的模拟计算与分析研究,分析了这种复合地基与桩基础地震响应的差异,并对影响刚性桩复合地基抗震性能的一些因素进行了研究,得出了一些对刚性桩复合地基的抗震设计有参考价值的结论。     

考虑土-结构相互作用效应和土质地基非线性的核岛厂房结构地震响应分析

有效模拟土一结构相互作用(SSI)和土体非线性特征是进行土质地基条件下核岛厂房结构地震响应分析的关键技术问题。基于SuperFLUSH软件平台,采用等效线性法描述近场地基非线性动力特征,通过在地基有限区域设置黏性人工边界来模拟半无限地基辐射阻尼效应的影响,并利用一维有限元法进行自由场响应分析实现地震动的输入,从而建立土质地基条件核岛厂房结构地震响应分析计算模型。最后,以某土质地基条件下的CPR1000堆型反应堆厂房的集中质量简化模型作为研究对象,开展考虑SSI效应和分层土质地基非线性对于核岛厂房结构地震响应特征影响研究,验证了该计算模型的精度和工程应用效果。研究表明:考虑SSI效应,可有效吸收散射波波动能量,减小结构响应;考虑土质地基非线性效应,加速度幅值在不同方向均有不同程度的降低,峰值频率明显的向低频偏移,因此,同时考虑SSI效应及土质地基的非线性特征,并将两者相结合的分析方法对核岛厂房结构抗震分析是必要的。     

地震动下考虑各向异性土体-盾构隧道数值模拟

针对层状土体-盾构隧道地震反应分析,引入了横观各向同性弹塑性模型,建立了横观各向同性介质的双渐近-多向透射边界条件。针对盾构隧道抗震设计的特点,基于横观各向同性弹塑性模型,研制了考虑层状土体各向异性和施工开挖效应,适合于地下结构动力计算的弹塑性动力有限元程序。在程序中对不同的材料采用了不同的本构关系和单元形式,并采用了关联流动法则和多种屈服准则,可同时进行横观各向同性土体与地下结构的平面应力、平面应变和轴对称问题的静动力有限元分析。最后,利用所研制的程序对上海地铁二号线石门一路站附近区间隧道在不同超越概率地震波输入下的地震反应进行了计算。结果表明,在层状土体-地铁盾构隧道的抗震分析中考虑土体各向异性的影响是必要的,所提出的计算模型是合理易行的。     

Physical and Numerical Modeling of Seismic Soil-Structure Interaction in Layered Soils

The structural response of buildings subjected to seismic loads is affected by local site conditions and the interaction between the structure and the supporting soil media. Seismic centrifuge model tests were conducted on two layered clay soil profiles at 80 g field to investigate soil-structure interaction and dynamic response of foundation. Several earthquake-like shaking events were applied to the models using an electro-hydraulic shaking table to simulate linear and nonlinear soil behavior. Results showed that the foundation input motion was significantly amplified in both models, especially for weak earthquake motions. Seismic soil-structure interaction was found to have an important effect on structure response by increasing the amplification of foundation input motion. A 3D finite difference numerical model was also developed to simulate the response of centrifuge model tests and study the parameters that affect the characteristics of earthquake at the base of the structure. The results indicated that the stiffness and stratification of the soil profiles had a significant effect on modifying the foundation input motion.     

土-结爆炸冲击相互作用模爆试验相似设计方法

模爆试验是研究爆炸冲击荷载作用下地基动力性能、土-结爆炸冲击相互作用及埋地防护结构抗爆能力与破坏机理等的重要手段之一。模型相似设计是确保模爆试验能够尽可能真实地反映原型爆炸冲击动力性状的关键之一。以上覆饱和砂土层对浅埋地下圆拱直墙式防护隧道免遭炸弹触地爆炸触发地冲击波破坏的保护效应为研究目的,基于目前广泛应用的Bockinghamπ定理,采用量纲分析方法,并且结合考虑土-结体系非线性爆炸冲击动力响应、土-结接触面爆炸冲击动力响应以及爆炸地冲击波-结构动力相互作用等的相似性,求解土-结爆炸冲击相互作用模爆试验的模型设计相似关系。     

地下综合管廊边界条件对地震动力响应影响数值分析

为研究综合管廊动力边界条件对地震动力响应的影响,以厦门地区的代表性土层为例,建立动力有限元数值模型,土体本构采用小应变硬化模型,分别设定固定边界、黏性边界和自由场3种人工边界条件,进行Rayleigh波和地震底部剪切波作用下的场地响应研究;并根据变形特征及拟绝对加速度反应谱（PSA）评价3种边界的有效性,提出综合管廊地震动力分析的优化动力边界组合方法。研究表明：在地震波（底部水平加速度时程）及Rayleigh波的作用下,由于考虑了黏性边界对外行波的吸收,但未考虑地震动的输入问题及边界外半无限介质的弹性恢复性能,边界会对模型内部土体的水平位移产生限制作用,使得场地内水平位移响应偏小,而采用自由场边界则基本不存在这种限制作用,表现出强烈的振荡;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,在Rayleigh波和底部加速度时程共同作用下,二者引起的动力响应交叉干扰较少,可按线性叠加处理;同时,黏性边界对地震波引起的动力响应有一定范围的吸收,自由场边界对Rayleigh波引起的动力响应也有一定范围的变形限制影响。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。     

可液化土中地铁结构的地震响应

在饱和土耦合作用与土和结构相互作用理论基础上,以地铁车站为例,用有限元法研究地下结构在地震液化作用下的响应。所采用的软件为动力两相体非线性有限元软件Dyna-Swandyne-II,该软件可以应用先进的Pastor-Zienkiewicz III广义塑性模型模拟可液化土的动力特性,应用u-p形式的Biot方程,在有限元分析中充分考虑孔隙水与土之间的耦合,同时考虑地下结构与饱和土在动力作用下的非线性相互作用。分析了地铁车站的动力响应,包括地铁内力、加速度以及地铁位移。研究结果表明,地铁结构在地震液化作用下会产生较大的上浮,从而对结构造成比较严重的破坏;地铁结构在地震作用下的最大内力位于结构的交接处。因此,结构交接处的配筋应该格外小心。     

覆盖层上土石坝非线性动力响应分析的地震波动输入方法

较多已建和待建的土石坝直接修筑于覆盖层上,合理描述土石坝与覆盖层之间的动力相互作用对大坝抗震安全评价至关重要。基于等效荷载和人工边界的地震波动输入方法能较好地反映出结构-地基之间的相互作用并得到了广泛应用。等效荷载和人工边界参数在均质线弹性地基条件下易于获得,而对于覆盖层地基,土体动力非线性特性给求解带来很大困难。鉴于此,首先根据覆盖层侧向边界的位移模式,发展了能高效、精确地获取多向地震动垂直入射时均质或成层覆盖层自由场非线性动力响应的简化模型;结合能动态实时获取地基材料参数的非线性人工边界,发展了一套覆盖层上土石坝非线性动力响应分析的地震波动输入方法。算例表明,发展的地震波动输入方法可大大减小计算网格量,并能较好地反映覆盖层对地震动频谱特性的影响且具有较高的精度。     

土-结构-流体动力相互作用的实时耦联动力试验

针对振动台试验中无限地基难以模拟和数值分析中流-固耦合作用难以计算两个难题,将最近发展的实时耦联动力试验方法引入土-结构-流体动力相互作用问题的研究。以一个渡槽结构为例,其中渡槽-水体作为物理子结构,采用振动台进行物理试验,而无限地基作为数值子结构,采用集总参数模型进行数值模拟。两个子结构之间实时交换数据,联合评估整个耦合体系的动力响应。试验结果和有限元数值模拟结果吻合良好,表明该试验方法具有较高精度。对不同特性地基土进行的试验对比分析结果表明：对于软土地基,考虑土-结构相互作用(SSI)的结构反应幅值明显减小,周期延长;随着地基土变硬,SSI效应逐渐变弱,结构反应最终收敛至刚性地基解。     

俯斜式混凝土重力挡土墙强震反应数值模拟

首先,介绍了基于OpenSees独立开发的一套用于挡土墙-土地震反应相互作用有限元分析计算软件RW_2DPS.据此建立了俯斜式混凝土重力挡土墙-土强震相互作用有限元模型.模型中,引入非线性有限元计算方法,选用多屈服面弹塑性本构模型模拟砂土的动力属性,应用零长度接触单元模拟墙与土体之间的接触特性,且采用一致耗能阻尼边界与速度边界条件.最后,输入随机地震动,进行挡土墙-土强震反应分析,并重点探讨墙背地震土压力和水平地震惯性力沿挡土墙高度分布规律.结果表明,墙背动土压力峰值出现在距挡土墙底约1/3墙高处;挡土墙背加速度具有放大效应,加速度峰值出现在挡土墙顶部;不同地震动作用下,加速度放大系数沿墙高分布规律不同,动土压力沿墙高变化规律基本一致.     

循环荷载下竖向土拱演化规律试验研究

土拱效应广泛存在于结构?土相互作用体系中,并不可避免地受到动荷载的影响。为探究循环荷载下土拱的演化过程,开展了循环加载下的活动门试验,结合粒子图像测速法（PIV）,对土拱的结构形态、位移场及竖向应力的变化规律进行了分析。结果表明,初始土拱形成时活动门上方产生三角形脱空区,施加循环荷载后该结构边界逐渐沿竖向延伸并向填土表面发展,位移场影响范围呈扇形向两侧扩大。根据初始差异沉降的不同,土拱的发展演化呈现出最终状态的差异：达到新的稳定状态,或发生失稳破坏。循环荷载下,初始活动门位移较大时土拱更易趋于破坏,表现为脱空区贯通填土表面并形成竖向滑裂面。土拱结构的稳定性受到脱空区土体堆积对其下边界的支撑作用影响。