振动台模型试验中地基土域的数值模拟

针对土－结构动力相互作用振动台模型试验中有限地基土域的模拟问题，本文分别采用有限元法和边界元法对地基土模型的侧向人工边界和底部人工边界的合理位置问题进行了计算分析。文中首先采用三维有限元方法，探讨了地基土侧向垂直人工边界不同位置对群桩基础和箱形基础地震反应的影响，提出了侧向人工边界合理位置的具体建议；然后利用层土动力Green函数建立边界元模型，通过对埋入式条形基础的动力反应分析，探讨了底部水平人工边界的合理位置，提出了相应的建议。     

地下箱形结构动力分析的一种半解析元法

本文将地下箱形结构等效成弹性体,与周围土体一起构成土-结构组合单元,提出一种层单元的半解析位移函数,建立了地下箱形结构动力分析的半解析元法。它具有降低维数,减少自由度,节省计算时间和费用,井可考虑复杂介质及侧向无限域的影响等优点,其计算可在微机上实现,为探讨土-结相互作用的内在机理提供了一个途径。     

冲击荷载下土中浅埋箱形结构反应的模型试验研究

本文叙述了土中浅埋箱形结构模型动力试验结果。试验的目的是检验我们在文献[8、9]中,所提出的地表冲击波荷载作用下,土中箱形结构动力反应分析的两步法。试验有两种情况:一是利用室内模爆器进行的小模型(模型尺寸与实际结构之比约为1:40)试验;另一种是利用室外试验坑中进行的模拟平面波加载下的中等模型(尺寸缩比约为1:10)试验。试验的箱形结构有单孔与双孔两种。根据埋深与超压的不同,共进行了20炮次试验,试验对自由场中应力、结构周边压力、结构应变、结构运动等参数进行了测量。试验结果表明,所提出的两步分析法中关于土中结构内力分析的准静态法是可行的。     

土-结构动力相互作用分析中基于人工边界子结构的地震波动输入方法

数值模拟是解决土-结构动力相互作用问题的重要手段,而合理地实现地震波动输入直接影响地震作用下土-结构动力相互作用问题数值模拟的精度。波动法是目前常用的地震动输入方法之一,该方法将输入地震动转化为人工边界上的等效荷载,相较于其他地震动输入方法,波动法模拟精度高,但实施上相对复杂。从有限元模型入手,推导了采用波动法确定等效输入地震荷载的另一种形式,以此为基础,提出了一种在人工边界上实现地震动输入的新方法。新方法通过对土-结构有限元模型中由包含人工边界节点的单元组成的子结构施加自由场位移时程并进行动力分析,直接获得可实现地震波动有效输入的等效荷载,然后将等效输入地震荷载施加在土-结构模型的人工边界节点上,从而完成土-结构动力相互作用问题分析中地震动输入和地震反应计算。与原有波动法相比,新方法避免了需分别计算人工边界上自由场应力和由引入人工边界条件带来的附加力,以及需要根据不同人工边界面确定荷载的作用方向等较为复杂的处理过程,具有等效地震荷载计算简便、地震动输入过程更易于实施的特点。采用竖直入射和斜入射地震波动作用下的弹性半空间和成层半空间地震反应算例验证了新方法的有效性。      

土–结构动力相互作用分析中基于人工边界子结构的地震波动输入方法

数值模拟是解决土–结构动力相互作用问题的重要手段,而合理地实现地震波动输入直接影响地震作用下土–结构动力相互作用问题数值模拟的精度.波动法是目前常用的地震动输入方法之一,该方法将输入地震动转化为人工边界上的等效载荷,相较于其他地震动输入方法,波动法模拟精度高,但实施上相对复杂.从有限元模型入手,推导了采用波动法确定等效输入地震载荷的另一种形式,以此为基础,提出了一种在人工边界上实现地震动输入的新方法.新方法通过对土–结构有限元模型中由包含人工边界节点的单元组成的子结构施加自由场位移时程并进行动力分析,直接获得可实现地震波动有效输入的等效载荷,然后将等效输入地震载荷施加在土–结构模型的人工边界节点上,从而完成土–结构动力相互作用问题分析中地震动输入和地震反应计算.与原有波动法相比,新方法避免了需分别计算人工边界上自由场应力和由引入人工边界条件带来的附加力,以及需要根据不同人工边界面确定载荷的作用方向等较为复杂的处理过程,具有等效地震载荷计算简便、地震动输入过程更易于实施的特点.采用竖直入射和斜入射地震波动作用下的弹性半空间和成层半空间地震反应算例验证了新方法的有效性.     

齐地表箱形结构侧墙爆炸反应分析

本文利用一维平面波理论对齐地表箱形结构侧墙进行了爆炸作用下的反应分析,在综合考虑了自由场压力,侧墙变形和土与结构相互作用以后给出了侧墙动力反应的解析解。 本文所推荐的方法用有限元计算作了校核,结果表明:当_顶(和_底)/_侧4时,具有较高精度,计算比有限元法迅速、经济。     

土钉土体系统动力模型的建立及地震响应分析

建立了土钉土体系统动力计算模型,这种模型将土体对土钉的作用处理成一个线性弹簧和一个与速度有关的阻尼器,把面板对土钉的惯性作用简化为集中于土钉头上的等效质量加以考虑. 以此为基础,建立土钉土体系统地震动力作用下的阻尼微分方程,求解了在简谐地震作用下土钉动力响应的解析解. 最后,结合一案例进行了分析,并用大型非线性有限元软件ADINA对此计算模型进行了验证,结果表明这种计算模型对土质较均匀的边坡动力设计和分析是安全、可靠、合理的.      

一种三维饱和土-基础-结构动力相互作用分析方法

地震波入射时土与结构动力相互作用分析是地震工程领域的重要问题.由于问题的复杂性,以往的研究大多考虑地基土为干土情形.而实际工程中,土体中经常充满孔隙水,土层往往是含水层或部分含水层.孔隙水对土层的地震反应影响较大,进而影响支撑于其上的基础和上部结构的响应.因此,有必要考虑饱和土-基础-结构动力相互作用问题.基于此,土体采用Biot模型,利用集中质量显式有限元方法并结合多次透射人工边界进行模拟;结构经有限元离散后,采用Newmark隐式时步积分方法进行分析,可通过ANSYS等有限元软件实现;基础假定为刚性,采用显式时步积分进行求解;土体和结构(及基础)可分别采用不同的时间步距;通过FORTRAN程序实现了三维饱和土-基础-结构系统在地震作用下的整体分析.从饱和多孔介质动力微分方程出发可知,干土是饱和土的特殊情形,通过将流体体积模量及孔隙率置为零,可将饱和土退化到干土,从而将干土统一到饱和土的计算框架中,通过土-结构相互作用算例对此进行了验证,进一步实现了干土与饱和土混合情形时的土-结构动力相互作用分析,使得问题的模拟更贴近实际工程(如考虑地下水位情形).通过算例对比了饱和土地基、干土地基、干土覆盖饱和土地基(考虑地下水位)情形时,土-结构相互作用对基础和结构响应的影响,结果表明地下水位对基础和结构响应的影响较大.     

基于无单元法的平面框架地震反应分析

无单元法在动力计算领域中的应用目前多以梁、板等简单构件的自振特性分析为主,对建筑结构的动力计算,尤其是地震反应分析尚未涉及.文中推导了无单元法的离散动力方程,以轴力杆、欧拉梁模型为基础,将简单构件的无单元动力计算推进到实际结构的地震反应分析,并给出了数值实现的基本流程.最后以一个十一层钢筋混凝土高层结构为算例,实现了多层多跨平面框架的无单元地震反应分析,达到了预期的效果,验证了无单元法应用于平面框架地震反应分析的可行性和有效性.     

地下爆炸冲击波引起的基底滑移隔震建筑的动力响应

对埋置在土体中的圆形衬砌内发生意外爆炸引起的附近地表的滑移隔震建筑 (考虑了土 结构相互作用 )的动力响应进行了研究。在土 结构相互作用分析中 ,分别采用有限元、无穷元和集中质点体系建立了衬砌周围的有限土区、四周的无限土区以及基底滑移隔震建筑的计算模型 ;在基底滑移隔震分析中 ,提出了用连续摩擦力模型取代传统的库仑摩擦力模型 ,避免跟踪啮合滑移的过渡边界并可减小计算误差。通过数值模拟 6层基底滑移隔震建筑在遭受地下爆炸冲击波作用且考虑土 结构相互作用所产生的动力响应 ,分析了基底滑移隔震效果以及不同隔震参数对隔震效果的影响 ,为相关的理论研究和工程实践提供了依据。     

考虑土体非线性特性的直埋管道——土体系统的动力反应分析

本文采用二维有限元方法对连续直埋管管道在动力荷载作用下的反应进行分析,管道周围土体采用等效线性粘弹性模型,为反映管－土间的相对滑移,在管单元与土单元间加入无厚度Goodman接触单元,并利用Wilson-θ法对管－土系统进行动力时程反应分析,本文研究了输入液频率,输入波幅值,管道埋深,土体类别和管－土间摩擦系数等因素对埋管动力反应的影响。     

框填结构等效斜压杆的模型改进及其数值模拟

等效斜压杆理论是模拟混凝土框架填充墙的常用方法之一．为探索该理论在结构抗震动力时程分析模拟中的应用,基于有限元软件ABAQUS,针对某一多层框架砌体填充墙结构案例,建立梁杆单元模型．模型中运用改进后的等效斜压杆宽度计算公式,来定义交叉杆的截面属性,并通过子程序建立材料的非线性本构关系．通过该模型系统分析了其在地震作用下的动力时程响应,并进行了比较研究．计算结果表明,使用等效斜压杆理论对实际框架填充墙进行模拟是可靠的,可以为工程设计提供参考依据．     

土中爆炸波与地下结构相互作用计算方法研究综述

土中爆炸波与结构相互作用是地下工程结构抗爆计算的理论基础,理论研究中通常在宏观试验基础上,引入合理的介质动力本构模型分析波动问题。针对工程防护中的计算模型和解析方法,综述了岩土介质中爆炸波与结构相互作用的现状和研究进展,内容包括土的动力本构模型,自由场中爆炸波的传播、爆炸波与箱型、圆柱形和直墙圆拱型等地下结构的相互作用等。重点阐述了常用的非饱和土和饱和土的动力本构模型、考虑松弛效应的土的综合弹塑性模型,一维平面波在不均匀介质和分层介质中的传播及地下结构爆炸荷载计算方面的研究成果,分析了各种模型和计算方法的适用范围和存在问题。     

单自由度"加层"减震结构地震作用取值的复模态法

运用复模态方法,以我国现行设计反应谱为基础,对单自由度TMD和“加层”减震结构地震响应及地震作用取值问题进行了系统研究。首先用复模态法将非经典阻尼非对称结构运动方程解耦,然后运用随机振动理论获得结构的动力响应解析式,并建立将结构分解为一系列等效单自由度体系的一般方法,继而利用等效单自由度体系与反应谱的对应关系,确定结构动力响应表达式中各参数的取值,建立结构基于反应谱的设计响应及其等效静态地震作用的设计方法,并给出了算例,从而建立了非经典阻尼非对称结构基于反应谱的地震作用取值的一整套方法。     

强震作用下RC延性框架的简化计算

提出了一种RC延性框架抗震设计方法,选取合理的倒塌机构并用虚功原理将其转化为等效的单自由度系统,针对选取的倒塌机构、设防烈度及场地条件计算刚塑性反应谱并据此计算结构的动力需求。以五层和九层RC框架为算例并与弹塑性时程分析比较,研究表明该方法计算简单,精度可靠,可以满足强烈地震作用下RC延性框架抗震设计要求。     

核电结构土-结相互作用分析分区混合计算方法

土-结构相互作用分析是核电结构进行抗震设计和安全评估的重要环节.在核电结构的土-结相互作用分析中,阻尼和非线性是影响结构反应的重要因素. 若采用频域分析,可以方便考虑阻尼,但需通过等效线性化来考虑非线性,不适合于强震作用下的土体非线性.若采用时域分析的逐步积分方法,适合于考虑非线性,但材料阻尼一般采用瑞利阻尼模型,除了紧靠指定阻尼比的少数几个振型外,其他振型的反应将受到瑞利阻尼模型所确定的大阻尼所抑制,造成地震反应与真实情形有较大差异.若采用时域分析的模态叠加法,可合理计入阻尼效应,但模态叠加法不能考虑非线性.因此,如何合理考虑阻尼和非线性是核电结构土-结相互作用分析需要关注的问题.基于此,本文提出一种模态叠加和时步积分结合的土-结相互作用分区算法.其中,出于安全性考虑,地震作用下核电主体结构一般不允许进入非线性,因此结构可采用模态叠加方法,以便合理考虑结构阻尼;土体和基础采用显式时步积分法,可考虑土体非线性;通过人工边界条件考虑无限域的影响 (辐射阻尼).通过简单算例对该方法进行了验证,并用于CAP1400核电结构的土-结相互作用分析中,对比分析了采用模态阻尼和瑞利阻尼时核电结构和场地反应的差异,结果表明结构阻尼模型对场地的反应影响不大,但对结构反应影响明显,在实际工程中应合理选取阻尼模型.      

考虑土-结构相互作用效应的三维桩基结构动力有限元分析

结合简化阻抗法建立了三维相互作用结构的动力有限元分析模型,导出了考虑群桩刚体、惯性效应作用时的结构相互作用时程积分方程式,以近乎纯结构有限元的建模途径合理地反映出桩-土-上部结构在水平地震作用下的动力相互作用特性。模型中引入具有桩(筏)-土阻抗特性的弹阻单元来描述不同群桩布置、土层状况因素对体系反应的参与作用,而在动力方程中竖向SV剪切波经桩土刚体相互作用产生的水平、摇摆分量对体系的影响亦得以体现。20层桩承刚框架结构的动力分析表明:较柔的桩、土基础使得体系的SSI效应增强,但其参与程度与群桩效应相关,而结构构件内力较不考虑相互作用时有较大折减;应用该法可精确、快速地进行复杂上、下部结构时程反应分析。     

单桩竖向动力阻抗计算模型研究

运用土动力学和结构动力学原理,同时考虑桩周土的弱化效应和桩-土界面的相对滑移效应,利用数理方程方法分别求解单桩与桩周近场土域及远场土域的振动方程,建立了竖向荷载作用下单桩动力阻抗函数的简化计算方法,提出了一种改进的非线性动力Winkler模型,确定了模型中各物理元件的参数,进而通过对比分析验证了计算模型的合理性,从而为桩-土-上部结构耦合系统的非线性分析奠定了基础。     

三角形夹芯板夹心层的等效弹性常数

推导了三角形夹芯板夹心层的等效弹性常数,为验证所推导的弹性常数的合理性,用NASTRAN有限元计算程序对两种模型进行了静力计算比较,一种是用所推导的弹性常数将夹心等效后,以层合板的形式进行计算的模型,另一种是对整个结构直接采用板单元进行计算的模型.计算结果表明:两种模型结果吻合良好.     

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为研究轻钢增层结构的动力特性,本文详细介绍了以有机玻璃为模型材料轻钢增层结构采用共振法试验的方法．将共振法测试到的模型动力特性,与理论计算作了对比,二者具有较好的一致性,并对试验结果进行了理论与计算分析．