极限安全地震动下考虑土-结构相互作用的核电站安全壳响应分析

根据黏弹性人工边界的基本原理,结合有限元分析软件ABAQUS和MATLAB辅助程序,在地基有限区域上添加黏弹性人工边界并实现极限安全地震动的输入。基于ABAQUS软件平台,对CPR1000安全壳构建了土-结构相互作用体系的数值模拟模型,分析其在极限地震动下的动力响应,并将计算结果与考虑刚性基础的安全壳结构响应数据进行对比。结果表明:核电站CPR1000安全壳结构在极限安全地震动下仍能保持良好的密闭性。考虑土-结构相互作用后分析所得安全壳结构受到的应力、加速度峰值和相对位移均有所增大,使用刚性地基模型要偏于危险。     

土-结构相互作用分析中几类地震输入方式的比较

地震作用下土-结构动力相互作用的整体有限元分析需要在人工边界处输入地震动。目前可能采用的地震输入方法包括黏弹性边界自由场输入方法、自由场应力方法、自由场位移方法以及侧边界自由方法。由于采用近似人工边界条件或者未完全考虑地震自由场,上述地震输入方法均为近似方法。本文以大开地铁车站二维有限元分析为例,根据规范建议的边界位置,研究了上述地震输入方法的精度,研究成果可为土-结构相互作用分析的合理地震输入提供一定参考。     

土-结构动力相互作用研究综述

土与结构动力相互作用是当代力学领域的前沿性研究课题,具有很强的实践性。对土与结构动力相互作用的研究历史与现状进行了介绍,简要综述了当前土与结构动力相互作用的研究方法,重点介绍了目前关于土与结构动力相互作用问题中从无限域转化成有限域的人工边界研究进展问题,并对该领域今后的研究工作提出了建议。     

土-结构相互作用效应对结构基底地震动影响的试验研究

利用土与结构动力相互作用振动台模型试验数据,通过各种试验工况下土层表面与基础表面加速度反应的比较,深入探讨了土与结构动力相互作用效应对高层建筑结构基底地震动的影响。从输入地震动频谱特性、输入地震动强度水平和上部结构动力特性3个方面详细分析了与SSI效应对高层建筑基底震动影响程度有关的一些因素。结果表明：SSI效应对高层建筑基底地震动的影响与输入地震波的动力特性有很大关系。在地震动的频谱成分方面,SSI效应对高层建筑基底地震动的影响主要体现为土层表面和基础表面在与输入地震动卓越频率相近处的频谱成分有较大差异;SSI效应对高层建筑基底地震动的影响程度随着输入加速度峰值水平的增加而减小;在某一特定地震波作用下,当上部结构的振动频率与地震地面运动的卓越频率相近时,SSI效应对高层建筑基底地震动的影响较为强烈。     

考虑土-结构相互作用的西安钟楼地震反应分析

为探讨土-结构相互作用对西安钟楼地震反应的影响,建立了钟楼上部木结构-台基-地基三维有限元模型,基于粘-弹性人工边界条件,利用振型分解反应谱法进行了地震反应分析。结果表明,考虑相互作用木结构2层相对位移反应增大了2.12倍,台基相对于地面间的相对位移增大了44%。因此,在对钟楼结构进行地震反应分析时必须考虑土-结构相互作用。     

土-结构群相互作用体系地震响应振动台试验研究

设计并开展一系列土-结构群相互作用体系振动台试验,考虑结构数量、地震动类型与幅值等参数,研究土-结构群相互作用对结构及场地土响应的影响,并对模型土参数确定方法进行分析。研究结果表明,地表建筑物的存在并不总是减小自由场地面运动,但地面运动随着地表结构数量的增加而降低;土-结构群相互作用对位于结构群中心的结构响应影响最大,且会放大土体卓越频率附近的响应成分;不同评价指标之间具有不同的侧重点,但均可较好地评价结构群之间的相互作用;输入地震动的总能量越高,土-结构群相互作用越明显。     

三维土-结构动力相互作用的一种时域直接分析方法

本文提出了一种分析三维土-结构动力相互作用的时域直接方法。该方法采用集中质量显式有限元和透射人工边界模拟无限域地基,通过编制的FORTRAN程序实现;采用ANSYS软件对上部结构进行建模分析,并通过FORTRAN程序对ANSYS软件的调用,实现了土与结构系统在地震作用下的整体分析。该方法为显隐式相结合的方法,地基和上部结构可采用不同的时间步距进行分析,可大大提高效率。通过两算例,验证了该方法的可行性。     

地震下考虑桩-土-结构相互作用的输电塔-线体系响应分析

本文研究了考虑桩-土-结构相互作用的输电塔-线体系在地震作用下的响应。根据实际工程,采用ABAQUS有限元软件,建立了考虑桩-土-结构相互作用效应的输电塔-线体系有限元模型。选取不同场地类型下的12条天然地震波,研究了不同地震波激励下考虑桩-土-结构相互作用效应输电塔-线体系动力响应。通过与考虑刚性基础的输电塔-线体系动力响应对比,得到了输电塔的薄弱位置,并提出了基于刚性基础的输电塔抗震放大系数,可为输电塔抗震设计提供参考。     

三维土-结构动力相互作用体系分析的两步时域显式波动有限元过程

为减少直接分析三维大尺度复杂土-结构动力相互作用问题的计算量,提高计算效率,本文直接从波动方程出发,提出了较常规子结构法更简单的两步简化计算过程,即第一步简化上部复杂结构体系为集中质量杆系模型,并求基础处等效输入,第二步通过等效输入求上部结构各位置的动力反应.其中第一步计算主要采用集中质量显式有限单元法结合局部透射人工...     

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。     

结构-土-结构动力相互作用对结构系统频率的影响

采用间接边界元法,研究结构-土-结构动力相互作用对结构系统频率的影响。数值分析表明,与不考虑相邻结构的结果相比,结构-土-结构动力相互作用可能增大或减小结构的系统频率,SH波垂直入射时,影响程度达5%,SV波垂直入射时,影响程度达3%。随着结构间距离的增大,结构-土-结构动力相互作用对结构系统频率的影响程度并不单调下降,还与场地的动力特性和结构的动力特性有关。结构-土-结构动力相互作用对结构系统频率的影响可能对结构健康监测结果造成一定影响,值得注意。     

考虑相邻结构影响的土-结构动力相互作用研究综述

对相邻结构动力相互作用(DCI)的研究历史与现状作了回顾和介绍,将其发展过程分为三个阶段,并对各时期发展的主要内容和特点进行了概述,最后对该领域今后的研究趋势作了分析。     

带深桩基础高层建筑结构的地震动输入问题

带深桩基础高层建筑结构的地震反应分析通常按刚性地基假定选择地震动输入,其合理性一直受到工程界关注。本文探讨了此类结构考虑桩-土-结构相互作用的整体有限元分析的地震激励施加、单元网格划分、积分步长确定、边界处理等问题,通过整体有限元分析模型和常规分析模型的算例分析对比,探讨了常规地震动输入方法的合理程度。结果表明,常规输入法总体偏于安全,是基本可行的,但可能低估结构底部几层的地震反应,应引起注意。     

土-结构动力相互作用对结构控制的影响

本文研究了土-结构动力相互作用对采取不同控制措施的结构控制效果的影响。文中首先建立了主动调谐质量阻尼器(ATMD)、半主动磁流变阻尼器(MR)和被动多重调谐质量阻尼器(MTMD)等三种结构控制措施在时域中的控制算法和控制律，然后基于子结构法，采用间接边界元方法，通过傅里叶变换，推导了分别安装三种结构控制措施的受控结构在频域中的运动方程，数值仿真分析了某36层高层建筑的地震反应及其控制效果。结果表明，当采用ATMD或MTMD控制时，考虑土-结构动力相互作用后结构地震反应有所减小；当采用MR控制时，考虑土-结构动力相互作用后结构地震反应有很大程度的减小。由此看来，在设计软土地基上高层结构的结构控制措施时，不考虑土-结构动力相互作用对结构控制效果的影响是偏于安全的。     

土-结构相互作用对铅芯橡胶支座隔震效果的影响

现有的基础隔震理论大多沿用刚性地基假定,忽略土-结构相互作用。由于地基土的柔性和无限性,土-结构相互作用会对基础隔震体系的隔震机理产生直接影响。因此,考虑土-结构动力相互作用对隔震结构体系隔震效果影响的研究十分必要。本文把地基土视为匀质、各向同性的黏弹性半空间,用等效双线型恢复力模型模拟铅芯橡胶支座的非线性,建立基础隔震体系单质点力学模型和运动方程。通过ANSYS软件进行数值模拟,用D-P材料考虑土的材料非线性,用接触单元模拟土与结构的接触非线性,分析土-结构动力相互作用对铅芯橡胶支座隔震效果的影响。     

接触对桩-土-结构动力相互作用体系的影响

为了考察桩-土接触效应对结构地震反应的影响,利用有限元软件ABAQUS建立了土-桩-框架二维有限元模型,分别采用损伤塑性模型和动力粘塑性记忆型嵌套面模型模拟混凝土和土体,利用rebar单元模拟混凝土内的钢筋,取得了较好的计算效果.计算分析中采用19条不同频谱的地震波记录,考虑了地震动强度、桩径、摩擦系数等因素,以层间位移角和桩顶最大位移为主要评价指标,揭示相互作用体系的动力响应特性.分析认为,计算结果对桩、土摩擦系数的取值不敏感;不考虑土-桩接触时,近场土体的动力反应与实际情况存在一定的误差,且上部结构和桩基的动力反应会被低估,应该考虑桩-土动力接触效应;地震动强度增加时,随着结构进入塑性状态,低估程度减小;桩径增加时,低估程度没有显著变化,虽然桩基和上部结构的反应都有所减小.     

考虑土-结构相互作用的上海中心大厦地震反应

采用ANSYS有限元软件建立土-桩-上海中心大厦相互作用简化模型.其中,桩土区采用等效模型,近域土体定为塑性区,用DP模型模拟;外围的土域定为弹性区,用超单元来模拟.对考虑土,桩-结构相互作用的整体结构和以刚性地基为假定的上部结构分别进行地震反应分析,并完成了比较.最后,在整体结构中提取上部结构与下部结构处的加速度反应与原地震波叠加,形成修正地震波,为输入修正地震波能考虑相互作用因素来分析相同结构的精细模型地震反应提供了条件.     

凸起地形对地震动特性的影响

采用基于ABAQUS平台的显式有限元动力学分析方法,结合人工黏弹性边界理论,研究了局部凸起地形对地震动特性(包括反应谱、峰值加速度、峰值速度和峰值位移等)的影响,分析了台地宽度对地形放大效应的影响.结果表明:凸起地形平台段空间点地震动受地形效应影响较大,在零阻尼条件下,其谱比曲线呈双峰特点,.8—0.9s的中长周期段谱比达到一个较大值1.6,在0.08—0.09s的高频段谱比超过2.0,且最大值出现在平台中点;对于凸起地形斜坡段,在大部分周期点处,顶点的谱比高于其它斜坡点,而且在周期超过0.4s的频段,斜坡段观测点的谱比表现出较明显的规律性,即越靠近顶点的观测点,其谱比值越大;坡底段地表不同观测点的谱比基本在脚点与计算边界点(人工边界点)对应的谱比值之间变化,在不同的频段均表现出较明显的规律性.凸起地形平台段宽度对地震动高频成分的放大效应具有较大影响,但只局限在一定的宽度范围内,随着宽度的增大,其对地形放大效应的影响逐渐减弱. 此外,台地宽度的变化对地震动峰值加速度的放大效应有一定的影响,而对峰值速度、峰值位移的放大效应的影响则不明显.      

考虑土骨架非线性的饱和土-结构相互作用分析

强地震作用下,饱和土体将进入非线性,有必要考虑非线性饱和土的地震响应以及非线性饱和土-结构相互作用问题。本文采用Biot饱和多孔介质模型,基于不规则加卸载准则的修正Davidenkov模型来描述近场区域内饱和土骨架的非线性特性,并采用集中质量显式有限元方法进行分析;远场区介质假定为线弹性饱和多孔介质,通过多次透射人工边界进行模拟;结构采用Newmark隐式时步积分方法进行分析。通过自编程序实现了非线性饱和土体的地震反应分析以及非线性饱和土-基础-结构相互作用分析。通过算例,对比分析了土体非线性对饱和土体、基础和结构反应的影响。