基于震源机制且考虑场地土分层差异效应的多点地震动:理论与程序开发

结合前人工作,首先形成了适用于我国目标场地的基于震源机制,且考虑局部场地效应的地表多点地震动具体生成途径,包括:(1)依据随机振动理论建立能够反映包含多个土层在内的局部场地整体过滤效应的传递函数,(2)基于本文作者改进的过滤函数而得到的适用于我国目标场地的基岩谱,进而通过分区建立局部场地的整体传递函数以反映不同场地土之间的差异性,(3)在前人工作基础上考虑了场地的非平坦性因素,(4)为了程序编制方便,给出了多土层过滤后相位角变化的显示表达式;然后,依据上述理论框架成功实现了程序MEMSV2011.6(Multi-support Earthquake Motions Simulation Version 2011.6)的编制和可视化运行,该程序可直接生成界面图形并输出数据文件,具体功能包括:设置震源参数、分区输入土层参数、计算并显示土层传递函数、设定非平稳参数、调控频率、生成多点地震动时程、验证多点地震动间的相干性以及拟合规范(桥梁、建筑和电力设施)反应谱等;最后,以一桥梁土层为算例,利用该程序生成了目标场地基于震源机制的地表多点地震动,并分析了地表地震动对场地土和震中距因素的敏感性。本文内容具有坚实理论基础和实用性,可直接为工程提供参考。     

考虑半覆水圆弧相变场地特征的地下多点地震动模拟方法与程序开发

建立了同时引入土壤介质相变和半覆水圆弧地形因素的场地模型，并给出了地下多点地震动模拟的理论框架，开发了依据本文理论的程序并予以可靠性验证。首先，基于探明的波场分布得到了SV波入射半覆水圆弧相变场地的频域解；其次，获得依据频域解的场地传递函数并求解出地下自功率谱，建立了基于所得到的地下相干函数的地下互功率谱，由此构建出地下功率谱矩阵；最后，实现频域模型向时域信号转化（即多点地震动时程曲线），进而基于上述理论进行可视化程序开发。通过数值算例进一步阐明了本研究的意义，结果表明，（1）地下与地表多点地震动在能量分布上存在显著差异，说明了研究的必要性；（2）生成地震动的拟合功率谱和拟合相干函数与理论值吻合较好，表明了结果的合理性；（3）可视化程序界面简洁，参数输入及调整方便，后处理结果显示清晰，反映出程序的便捷及适用性。     

大跨率桥梁直接考虑拟静力位移影响的随机地震反应分析

对 Duhamel积分引入了改进的脉冲响应函数 ,建立了激励演变谱矩阵与总动力响应演变谱之间的关系 ,并对实际大跨度斜拉桥进行了数值计算。这一成果实现了全面考虑各种地震动时空变化特性下的直接求解结构总动力响应的时域法和频域法计算列式 ,使得地震动多点激励下考虑拟静力位移影响的结构响应计算过程大为简化。     

多水平成层的非均匀介质圆弧形峡谷地下多点地震动模拟

开发了考虑圆弧场地水平多分层效应的地下多点地震动模拟可视化程序,验证其可靠性。首先,描述了给出的圆弧场地多分层效应的SH波动散射频域解,其本质是突破了传统均匀介质和分层不穿越峡谷前提的局限性;其次,利用从水平地表到峡谷表面再到地下土层的传递函数,通过两次传递得到了圆弧峡谷地下的目标功率谱和反应谱;进而,具体描述所导出的圆弧场地平-凹相关性的相干函数及其推导过程;最后,基于上述理论,开发了多层状的非均匀圆弧场地的多点地震动模拟程序,给出了模拟结果与目标功率谱、反应谱和相干函数的拟合对比,验证了该理论和程序的合理性和可靠性,便于所发展理论和方法的实用化和推广。     

均布荷载作用下一次超静定梁的弹塑性过程改进分析

对均布荷载作用下一次超静定梁的弹塑性加载和变形全过程进行了改进分析.根据受力变形特点,均布荷载作用下一次超静定梁的加载过程可分为4个阶段,分别是弹性阶段、固支端附近塑性变形区扩展阶段、固支端保持为塑性铰而固支端附近塑性变形区卸载阶段、固支端保持为塑性铰而梁中部塑性变形区产生并扩展直至中部某点形成塑性铰阶段.在弹性阶段,位移与外荷载是线性比例关系,在第2、第4两个阶段,位移与外荷载是复杂的非线性关系,而在第3阶段,位移与外荷载是线性关系但不是比例关系.针对现有研究中位移计算存在的错误,给出了产生塑性铰后的第3、4两个阶段全过程任意点的位移计算公式,给出了跨中位置点各阶段荷载终值对应的位移.给出的位移公式具有一定的结构设计应用价值.     

多体动力学程序切断铰的处理方法

多体系统动力学从非树系统派生出树系统的计算需要进行切断铰的处理。切断铰约束方程的形成是进行多体系统程序编写时的重要部分,其处理过程复杂,需要一定的技巧。本文引入了约束正交补轴的概念,详细介绍了几种典型(旋转铰、万向节、棱柱铰、旋转棱柱组合铰)切断铰位移约束方程、速度约束方程、加速度约束方程的形成方法,并给出了详细的程序化过程,该方法适用于任何类型的切断铰。最后给出相应算例,结果表明本文的方法能快速、正确地形成切断铰约束方程。     

疲劳载荷下的裂纹张开位移

自Wells提出裂纹张开位移〔COD〕概念以来,作为一种工程断裂准则,在结构的断裂分析中已经得到了广泛的应用。然而,由于实际裂纹顶端张开位移〔CTOD〕难于直接测量,现在所用的方法多数是在塑性铰的假设模型下,测量裂纹咀张开位移〔CMOD〕,再换算成名义裂纹张开位移的。当然,在较大范围屈服的情况下,作为近似,这种假设是成功的。在疲劳载荷下,裂纹顶端的塑性区通常很小,塑性铰模型将不能正确地描叙裂纹顶端的张开位移。本文所探讨的就是测量和计算小范围屈服下裂纹顶端张开位移的方法。     

应力和位移约束下的板壳结构截面优化

将准则法和数学规划法相结合，根据满应力准则将应力约束化为动态下限，借助单位虚载荷法将位移约束转化为设计变量的近似显函数，建立了满足应力和位移约束的优化模型. 为了解决多变量的大型优化问题，根据对偶理论将上千设计变量的优化模型转化为几个变量的对偶模型，并通过二次规划求解. 以MSC/Nastran软件为结构分析的求解器，借助MSC/Patran软件为开发平台，完成了板壳结构截面优化程序. 程序完全和Patran及Nastran融为一体，在Patran中建立模型，利用Nastran分析计算，根据优化结果对设计变量调整，再用Nastran进行结构重分析，反复迭代直到结构重量收敛. 算例表明程序的合理性和有效性，能够满足工程设计的需要.     

多水平成层的非均匀介质圆弧形峡谷地下多点地震动模拟

开发了考虑圆弧场地水平多分层效应的地下多点地震动模拟可视化程序,验证其可靠性。首先,描述了给出的圆弧场地多分层效应的SH波动散射频域解,其本质是突破了传统均匀介质和分层不穿越峡谷前提的局限性;其次,利用从水平地表到峡谷表面再到地下土层的传递函数,通过两次传递得到了圆弧峡谷地下的目标功率谱和反应谱;进而,具体描述所导出的圆弧场地平-凹相关性的相干函数及其推导过程;最后,基于上述理论,开发了多层状的非均匀圆弧场地的多点地震动模拟程序,给出了模拟结果与目标功率谱、反应谱和相干函数的拟合对比,验证了该理论和程序的合理性和可靠性,便于所发展理论和方法的实用化和推广。     

非一致地震激励下大跨度斜拉桥的响应特性

基于平衡随机地震动场理论,研究了地震动空间变化,包括行波效应,相干损失和局部场地条件,对大跨度斜拉桥地震响应特征的影响,采用拟激励方法计算结构的随机响应,计算的响应量包括塔顶位移,塔底弯矩,辅助墩底弯矩等,得到的主要结论是：与一致地震激励相比,地震动空间变化可以使斜拉桥的地震反应改变 达40％,仅考虑行波效应可以得到响应的偏于保守的估计值,局部土场地条件的对斜拉桥的地震反应有重要影响,当各塔,墩处的土质条件差异较大时需进行详细的抗震分析。     

斜拉桥合理成桥状态确定的序列二次规划法

本文首先介绍斜拉桥合理成桥状态的概念和现有的斜拉桥索力优化方法。然后基于序列二次规划(SQP)算法,提出了一种用于确定斜拉桥成桥合理状态的实用方法,序列二次规划法。该方法通过建立斜拉桥索力优化的非线性规划模型,以斜拉桥主梁和索塔的弯曲应变能为目标函数,以各斜拉索的索力为设计变量,结构的应力和索力为约束条件,并计人大跨度斜拉桥各种几何非线性因素的影响,采用强次可行序列二次规划法进行优化求解,确定斜拉桥成桥合理状态的索力。运用该方法和空间非线性有限元分析程序分析了某斜拉桥的合理成桥状态,计算结果表明该方法简单、有效。     

斜拉桥合理成桥状态确定的一阶分析法

本文建立了斜拉桥索力优化的非线性规划模型，其中以斜拉桥主梁和索塔的弯曲应变能为目标函数，以各斜拉索的索力为设计变量，结构的应力及索力为约束条件，采用一阶分析法进行求解，用以确定成桥合理状态的索力。在计算中，考虑大跨度斜拉桥各种几何非线性因素的影响，并列出了优化模型的具体表达式及优化过程中的关键求解策略。应用该法和空间非线性有限元分析程序分析了某千米级斜拉桥方案的合理成桥状态，计算结果表明：该方法简单、有效。     

Numerical simulations of tire-soil interaction based on critical state soil mechanics

The tire-soil interaction is numerically simulated using a modified critical state soil model, in conjunction with a new nonlinear elastic law and hardening law, implemented on a general purpose finite element program MARC. A nonlinear friction law is employed for representing the shearing behavior on the tire-soil interface. Numerical results show deformation patterns and stress distributions in the soil, as well as the normal and shear stress distributions on the tire-soil interface. Results obtained from numerical simulations of the tractive performance of tires at different slips on sand are also presented and compared with available experimental data.     

基于ABAQUS的超高层建筑动力弹塑性抗震分析Dynamic elasto-plastic seismic analysis for a super high-rise building based on ABAQUS

某国际金融中心超高层建筑共113层,结构高度423 m。首先,利用S A P2000软件建立结构的有限元模型,通过基于C＃语言开发的导航式接口程序TJU ．SAP2ABAQUS将SAP2000模型转换为 ABAQUS模型。然后,依据规范进行7°多遇、基本和罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。最后,模拟了超大震作用下该超高层结构的破坏过程。结果表明,（1）不同强度地震作用下结构的层间位移角均能满足规范限值要求。（2）罕遇地震作用下,结构满足大震不倒的抗震设防要求且有较高的安全储备。（3）超大震作用下,结构竖向刚度变化位置是结构潜在的薄弱部位,在抗震设计时应给予重点关注。     

大坝混凝土三维细观力学数值模型研究

在细观结构层次上将大坝混凝土作为骨料、固化水泥砂浆及其粘结界面组成的复合材料,建立了大坝混凝土三维细观力学数值模型。该模型既能够反映混凝土及其细观各相材料在荷载作用下的损伤演化过程,又考虑了动载作用的应变率强化效应。给出了该数值模型求解方法,并编制出能够在普通PC机上运行的串行程序。加载过程既可按荷载控制又可按位移控制。同时,为了减少求解自由度应用了分尺度方法以使最小骨料和固化水泥砂浆混合后其力学性能与一种复合介质等效。通过混凝土湿筛和三级配试件的静、动(冲击)弯拉数值计算验证了本文计算方法和程序正确有效。另外,在串行程序的基础上,优化了刚度矩阵的存储方式,采用双门槛不完全Cholesky分解(ICT)预条件的共轭梯度法(CG),完成了能够在Sun Fire 6800服务器实现并行计算的并行程序改造,从而大大提高了计算效率。     

基于更新支持向量的大跨度斜拉桥体系可靠度分析

针对斜拉桥静力体系可靠度分析中隐式功能函数重构和繁杂失效路径的特点,提出了一种基于更新支持向量的体系可靠度分析方法,将传统的用于构件可靠度分析的支持向量机(SVM)改进并应用于斜拉桥体系可靠度分析。该方法主要有4个步骤:首先通过构件的敏感分析识别斜拉桥的主要失效路径;其次采用最小二乘支持向量机(LS-SVM)对斜拉桥的隐式功能函数进行重构,并通过Monte-Carlo抽样得出构件的可靠指标;然后根据已经更新的有限元模型对支持向量进行更新,得出相关构件失效后的剩余构件的条件可靠指标;最后由结构体系的失效树和串并联关系得出斜拉桥的体系可靠度。主跨为420m的混凝土斜拉桥算例分析表明了上述算法的有效性和实用性,同时也获得了该斜拉桥的主要失效路径并识别了影响其体系可靠度的主要构件。     

大岗山高拱坝强地震作用下损伤破坏分析

采用连续损伤力学中能量等效原理和有效应力概念,将混凝土强度降低、刚度劣化即损伤作为不可逆内变量张量,并考虑应变率效应和多轴应力状态,建立率相关弹塑性损伤模型.应力本构积分采用返回映射法,给出了有限元程序主要功能流程.对强地震作用下大岗山高拱坝损伤和破坏情况进行数值模拟,评价其强震后的安全性.结果显示,大坝在强震后总体损伤不大,结构安全性较好,但应注意抗震薄弱部位;同时大坝不同部位率响应明显不同,对混凝土力学性能影响不容忽视.     

青洲斜拉桥的基准动力有限元模型

讨论了斜拉桥有限元动力分析模型,给出了基于环境振动试验结果建立大跨度斜拉桥基准有限元模型的步骤;讨论了桥面初始平衡构型、几何非线性、桥面板、混凝土桥面板与钢梁的剪力连接和端部纵向约束对模型的影响。经通车前现场环境振动试验结果验证的青洲闽江斜拉桥三维有限元模型,反映了桥梁在运营前的真实动力行为,可作为该桥各种复杂响应分析和长期健康监测、使用状态评估的基准。