三维波浪-流-串行桩柱相互作用的数值分析

为探讨波浪-流-串行桩柱的相互作用,建立了三维数值模型,采用大涡模拟(LES)方法对湍流进行模拟。研究了波浪-流-串行桩柱相互作用下的拖曳系数,对波浪-流靠近结构时的非线性相互作用引起的拖曳力和涡的变化,以及在结构前后自由面的变化进行了分析,并且与波浪-流与孤立桩柱相互作用的研究进行比较。结果表明:由于桩柱的存在,在波浪-流的传播过程中出现了时间延迟,这就导致了桩柱前后附近自由面水位存在较大的位移差;由于桩柱之间互相干扰,下游桩柱的存在导致上游桩柱附近不能形成非对称的周期性涡脱落,上游桩柱横向拖曳力受到影响最大,顺方的拖曳力也受到明显影响;下游桩柱横向和顺向的拖曳力都受到较大的影响;同时涡的脱落会把其附近的自由面吸入。     

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。     

土-地铁车站及其上盖结构体系地震反应分析

为研究地震作用下地铁车站及其上盖结构体系的地震反应特征，本文以一典型的地铁车站及上盖结构体系为背景，采用ABAQUS软件建立土-地铁车站及其上盖结构体系的三维有限元模型，利用等效线性化方法考虑土的非线性，以不同类型的单向地震波和双向地震波（含水平向和竖向）作为输入，对土-地铁车站及其上盖结构体系进行了地震反应分析，比较了不同类型地震波作用下地铁车站及其上盖结构体系地震反应的差异，探讨了竖向地震动效应和转换梁刚度的影响．本文的算例结果表明：与普通基岩波和El-centro反演波输入相比较，在长周期基岩地震波作用下地铁车站及其上盖结构体系的内力响应和位移响应均最大．这一地铁车站及其上盖结构体系的薄弱部位位于地铁车站底层第2列、第3列柱的柱端和侧墙与底板连接处．竖向地震动对地铁车站及其上盖结构体系中柱的轴力响应值有较大影响．对于本文的动力计算工况，适当弱化转换梁刚度可降低上盖结构层间位移角的动力响应值．     

槽道内涡波流场的POD分析

对槽道内涡波流场的瞬态速度矢量场进行了2DPIV测量实验,将2DPIV测量的矢量场数据进行POD分析,根据POD分解的各阶模态的能量比确定了表征涡波流场主导结构的前15阶模态。结果表明,POD分解的前15阶模态发现槽道内涡波流场是由槽道壁面剪切层诱导的涡列以及伴随的波状主流组成;流场中大尺度的涡旋发展为涡对,对波状主流的脉动频率产生影响;根据涡波流场中的驻点和鞍点,获取了流场的大尺度涡对、平均流场以及Helmholtz涡环等明显特征;最后根据POD分解的前15阶模态对槽道内涡波流场进行重组,重组流场表征了槽道内层流状态下波状主流的形态和涡旋共存的涡波结构以及驻点和鞍点的位置处涡旋的变化等主要特征,有效地剔除了PIV测量流场中的随机信息,保留了PIV测量流场的主导特征。     

层状土中考虑频域内轴向力分担的群桩水平动力阻抗

以动力文克尔梁模型为基本理论，在充分考虑了土的分层以及桩顶轴向力参与作用后导出了一种新的计算层状介质中水平动力相互作用因子的方法，进一步扩展了群桩-土相互作用简化法的应用范围，可以计算任意构型、桩数、土层属性下的群桩系统阻抗反应，其计算工作量较小，是其它数值方法难以比拟的。数值计算结果表明；桩顶轴向力的引入不能从本质上改变桩基振动形式，但考虑竖向振动附加影响的水平激振作用会产生相当的动力P-△效应，致使水平单、群桩阻抗效应降低，位移反应增大，同时桩间动力相互作用影响也较单-水平力作用时有明显规律性的增强。     

地震和波流作用下海底悬跨管线模型实验研究

利用水下地震-波流联合模拟实验系统研究了海底管线在波浪、水流和地震作用下的动态响应特征。实验中考虑了有无地震作用、悬跨长度、波浪高度、水深、水流速度以及是否满管状态等因素。通过DDP动态数据后处理软件对实验结果进行处理分析,得到海底悬跨管道的动态响应特性。实验结果表明:在浅海海域,悬跨管线的动态反应受波浪及水深变化的影响不明显,悬跨长度是影响管道动态响应的主要影响因素;悬跨管线在地震与波流共同作用下的反应与仅地震作用下的应变存在差别;在波浪力作用下,空管时管线的应变要小于满管时的情况。     

桩-土接触效应及对桥梁结构地震反应的影响

目前有关涉及桥梁桩基础地震反应的研究大多是基于桩与桩侧土体之间无相对滑动、位移保持协调的假定。本文针对地震作用下桥梁桩基础的接触面效应及其对结构地震反应的影响问题,以某桥梁工程为背景,通过在桩-土交界面处设置接触单元来模拟桩-土间的接触非线性,建立了土-桩-桥梁结构相互作用体系的三维分析模型。利用这一模型,分析了地震作用下桩-土交界面处的动力反应形态,探讨了桩-土间的接触非线性及其对桥梁结构地震反应的影响。初步分析结果表明：在强震作用下,桩-土间会产生较强的接触非线性,在本文模型中,这种非线性主要表现为桩-土交界面处的滑移;考虑桩-土间的接触面效应将使结构的位移反应结果较基于桩-土间位移协调的情形有所增大。     

槽道内涡波流场的POD分析

对槽道内涡波流场的瞬态速度矢量场进行了2DPIV测量实验，将2DPIV测量的矢量场数据进行POD分析，根据POD分解的各阶模态的能量比确定了表征涡波流场主导结构的前15阶模态。结果表明，POD分解的前15阶模态发现槽道内涡波流场是由槽道壁面剪切层诱导的涡列以及伴随的波状主流组成；流场中大尺度的涡旋发展为涡对，对波状主流的脉动频率产生影响；根据涡波流场中的驻点和鞍点，获取了流场的大尺度涡对、平均流场以及Helmholtz涡环等明显特征；最后根据POD分解的前15阶模态对槽道内涡波流场进行重组，重组流场表征了槽道内层流状态下波状主流的形态和涡旋共存的涡波结构以及驻点和鞍点的位置处涡旋的变化等主要特征，有效地剔除了PIV测量流场中的随机信息，保留了PIV测量流场的主导特征。     

碎石桩复合地基三维地震响应分析

将饱和砂土视为土—水两相介质,以Biot动力固结方程为基础,编制了完全耦合的三维排水有效应力动力反应分析程序。利用该程序对碎石桩复合地基进行了动力反应分析。结果表明:在地震荷载作用下,碎石桩具有明显的减震效应,碎石桩复合地基表层的最大水平振动加速度与天然地基相比明显减小,并且碎石桩对地基的沉降变形有明显的抑制作用;碎石桩的排水效应十分显著,随着输入地震加速度的减弱,在孔压达到峰值以后,由下到上出现了明显的孔压消散现象,碎石桩排水效应的影响范围为上窄下宽的圆台形;碎石桩的加密效应显著;考虑碎石桩各效应的耦合作用比仅考虑其单一效应,计算得到的孔压比要小,因此在进行碎石桩复合地基抗液化判别时,应该综合考虑碎石桩各效应的相互耦合作用。     

不同类型地震波作用下地下综合体结构地震反应分析

为探究不同类型地震波作用下地下综合体结构的地震反应特征,本文以上海某地下综合体为工程背景,采用ABAQUS软件建立土-地下综合体结构相互作用体系三维有限元模型,利用Davidenkov模型模拟土的非线性,以不同类型的单向地震波和双向地震波（含水平向和竖向）作为输入,对软土场地中地下综合体结构进行了地震反应分析,比较了不同类型地震波作用下地下综合体结构地震反应的差异,探讨了地下综合体结构的竖向地震动效应问题．本文的算例结果表明：在长周期地震波作用下地下综合体结构的位移响应和内力响应峰值均明显大于普通地震波作用下的结果;考虑竖向地震动时地下综合体结构的柱轴力较单一水平向地震动作用情形有明显增大;在本文地下综合体结构算例中,地下三层柱底、四层柱顶、五层柱底、以及底板与侧墙连接处为受力较大部位．     

A two-phase model and related numerical tool for the design of soil structures reinforced by stiff linear inclusions

A two-phase macroscopic model is presented for ascertaining the overall linear elastic behaviour of a soil reinforced by stiff long inclusions, with a particular emphasis on the shear and flexural behaviour of the reinforcements. Based on a minimum principle for the potential energy of any two-phase system, expressed as a function of the kinematically admissible displacement and rotation fields, a finite element formulation is established, resulting in the elaboration of a numerical computer code devoted to the simulation of any reinforced soil structure under plane strain conditions. This finite element code is applied to the evaluation of the settlements experienced by a rigid raft foundation placed on top of a soil reinforced by a group of vertical piles, and subject to combined loading conditions. One of the important conclusions which may be drawn from such a quantitative analysis is that the shear and flexural behaviour of the reinforcing piles, as well as the way these piles are connected to the foundation, play a decisive role in the case of lateral loading.     

考虑桩土共同作用的钻孔灌注桩承载性状分析

以盖州北海渔民回迁楼工程为依托,选取其中的C14 号楼为研究对象,对其中两根试桩进行现场静载试验,并获得了Q-S 曲线、侧摩阻力随深度变化曲线、桩身轴力随深度变化曲线及桩土接触面相对位移随深度变化曲线. 然后根据现场勘查资料及有限元参数选取的经验值建立单桩模型,利用大型有限元分析软件ADINA 对单桩进行分析,并根据模拟数据及实测数据利用MATLAB 绘制了各项主要承载特性的对比曲线,一方面验证模型及参数的合理性,另一方面研究桩长对单桩各项主要承载特性的影响. 最后利用单桩验证过的模型及参数建立群桩模型,分析群桩的各项主要承载特性与桩长及桩间距的关系.     

NONLINEAR DYNAMICS RESPONSE OF CASING PIPE UNDER COMBINED WAVE-CURRENT

IntroductionThe casing pipes are widely used for drilling wells in the ocean. As depth of waterreaches100m or more than100m, the relative stiffness of a casing pipe is reduced and thenatural frequency of a casing pipe may be close to shedding frequency of…     

Interface damage and its effect on vibrations of slab track under temperature and vehicle dynamic loads

This paper presents a three-dimensional finite element model to investigate the interface damage occurred between prefabricated slab and CA (cement asphalt) mortar layer in the China Railway Track System (CRTS-II) slab track system. In the finite element model, a cohesive zone model with a non-linear constitutive law is introduced and utilized to model the damage, cracking and delamination at the interface. Combining with the temperature field database obtained from the three-dimensional transient heat transfer analysis, the interface damage evolution as a result of temperature change is analyzed. A three-dimensional coupled dynamic model of a vehicle and the slab track is then established to calculate the varying rail-supporting forces which are utilized as the inputs to the finite element model. The non-linearities of the wheel–rail contact geometry, the wheel–rail normal contact force and the wheel–rail tangential creep force are taken into account in the model. Setting the maximum interface damaged state calculated under temperature change as the initial condition, the interface damage evolution and its influence on the dynamic response of the slab track are investigated under the joint action of the temperature change and vehicle dynamic load. The analysis indicates that the proposed model is capable of predicting the initiation and propagation of cracks at the interface. The prefabricated slab presents lateral warping, resulting in severe interface damage on both the sides of the slab track along the longitudinal direction during temperature drop process, while the interface damage level does not change significantly under vehicle dynamic loads. The interface damage has great effects on the dynamic responses of the slab track.     

横向爆炸载荷下薄壁圆管的动态响应

采用实验研究、理论分析和有限元模拟相结合的方法，研究了横向爆炸载荷作用下薄壁圆管的动态响应。利用弹道冲击摆锤系统，对圆管在爆炸载荷下的动力响应进行了实验研究，分析了薄壁圆管的变形模式；基于地基梁模型，建立了横向爆炸载荷作用下圆管跨中挠度的理论模型，并进行了无量纲化；通过有限元模拟，分析了圆管的几何参数对其变形模式和跨中挠度的影响，并与理论结果进行了对比。研究结果表明:随着TNT药量增加圆管的变形区域和跨中挠度增大；圆管的长径比、厚度及爆炸载荷参数对圆管的变形模式有较大影响；理论预测、有限元模拟结果与实验结果吻合较好。     

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。     

半刚接钢框架的动力分析

推导了半刚接钢框架动力有限元的质量矩阵和刚度矩阵．建立了具有不同节点初始刚度的半刚接多层钢框架及相应刚性框架的计算模型．采用ANSYS软件进行数值模拟分析，研究了节点刚度对结构自振频率的影响以及结构在谐振荷载作用下的响应，对地震波激励下的结构进行了时程分析．分析结果表明不半刚接框架节点的柔性对结构自振频率产生较大的影响，节点柔性越大，结构自振频率降低也越大，结构的抗震设计应考虑节点柔性的影响；半刚接钢框架顶点位移和柱底剪力时程曲线在地震波激励时间内表现出良好的稳定性，柔性连接可以代替刚性节点用于抗震区的钢框架设计中．     

Numerical Study of the Effect of Periodic Velocity Excitation on Aerodynamic Characteristics of an Oscillating Circular Cylinder

A finite element method based on ALE formulation has been adopted in order to examine the effect of periodic velocity excitation on the aerodynamic characteristics of an oscillating circular cylinder. Periodic excitation, which was placed on the cylinder surface, stimulated the separated shear layers around the cylinder, and numerical results showed that some excitation can reduce negative damping, which is caused by unsteady lift force, and thereby stabilize the aerodynamics of the cylinder. Furthermore, the change of lift phase caused by periodic excitation seems to be important in stabilizing the aerodynamics of the cylinder. The simulation also confirmed that periodic excitation can suppress the vortex-induced vibration of the cylinder.     

多用途输液立管涡激振动实验研究与疲劳分析

为研究输运不同流体的海洋立管在海流作用下的振动规律,在大型波浪流水槽中进行涡激振动模型实验。实验分别将四种不同质量比的立管模型竖直固定于支架上,立管外部承受不同速度的流体作用,上端施加顶张力。立管模型上均匀布置六个测点,根据每个测点布置的两个应变计,分别测得来流向和横向两个方向振动响应。通过小波变换对实验数据进行去噪处理,利用振型分解法求解立管各点涡激振动位移。考察输运不同流体对立管自振频率以及涡激振动响应的影响,并利用雨流计数法对模型进行疲劳分析。实验结果表明,随质量比增加立管涡激振动频率降低;低质量比的立管更容易产生大位移。     

A simplified method for time domain simulation of cross-flow vortex-induced vibrations

A new method for time domain simulation of cross-flow vortex-induced vibrations of slender circular cylindrical structures is developed. A model for the synchronization between the lift force and structure motion is derived from already established data for the cross-flow excitation coefficient. The proposed model is tested by numerical simulations, and the results are compared to experimental observations. When a sinusoidal cross-flow motion is given as input to the algorithm, the generated force time series are generally in good agreement with experimental measurements of cross-flow force in phase with cylinder velocity and acceleration. The model is also utilized in combination with time integration of the equation of motion to simulate the cross-flow vibration of a rigid cylinder. The resulting amplitude and frequency of motion as functions of reduced velocity are compared to published experimental results. In combination with the finite element method, the model is used to simulate cross-flow vibrations of a flexible cylinder in shear flow. Comparison with experiments shows that the model is capable of reproducing important quantities such as frequency, mode and amplitude, although some discrepancies are seen. This must be expected due to the complexity of the problem and the simple form of the present method.