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土-结构相互作用分析中几类地震输入方式的比较

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震灾防御技术 2017年第3期12卷 589-598页

作者：赵密王利涛高志懂杜修力黄景琦北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京100124

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... 详细信息

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。

关键词：土-结构动力相互作用地震输入黏弹性边界自由场有限元分析

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地基对水闸抗震性能的影响研究

人民黄河 2017年第10期39卷 94-97,105页

作者：张新中曾玉唐克东梁一星华北水利水电大学土木与交通学院河南郑州450011 重庆交通大学土木工程学院重庆404100

考虑地基和不同边界条件,选用时程分析方法,应用有限元软件ANSYS对某水闸结构进行动力分析,结果表明:地基不仅对水闸闸室结构动位移有放大作用,而且还延迟了闸室结构的地震动位移,但对水闸的机架桥和启闭机房影响很小。另外地基不仅放... 详细信息

考虑地基和不同边界条件,选用时程分析方法,应用有限元软件ANSYS对某水闸结构进行动力分析,结果表明:地基不仅对水闸闸室结构动位移有放大作用,而且还延迟了闸室结构的地震动位移,但对水闸的机架桥和启闭机房影响很小。另外地基不仅放大了水闸结构的动应力响应,而且还延后了水闸结构地震动应力的出现,其对水闸闸室结构的放大作用最大,机架桥次之,启闭机房最小。

关键词：水闸地基固定边界黏弹性边界时程分析法抗震性能

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水工结构动态响应并行计算程序开发及其应用

水电能源科学 2012年第1期30卷 66-69页

作者：王立涛马怀发陈厚群刘金朝中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京100038 中国铁道科学研究院北京100081

利用并行有限元程序生成系统PFEPG,以MPI作为并行编程环境,考虑结构自重、渗流压力、动水压力(采用附加质量模拟)、温度变化、地震波、坝面的水及泥沙压力等荷载,采用黏弹性边界模拟外行波向远域地基辐射,利用时域显式解法求解方程,编... 详细信息

利用并行有限元程序生成系统PFEPG,以MPI作为并行编程环境,考虑结构自重、渗流压力、动水压力(采用附加质量模拟)、温度变化、地震波、坝面的水及泥沙压力等荷载,采用黏弹性边界模拟外行波向远域地基辐射,利用时域显式解法求解方程,编制了考虑接触非线性问题的水工结构动态响应有限元程序,并以溪洛渡拱坝的地震动态响应分析为例进行了测试。结果表明,该程序具有较高的并行度和良好的并行效率。

关键词：水工结构结构抗震并行计算有限元黏弹性边界

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非一致地震动输入下高面板坝地震反应特性

水利水运工程学报 2016年第4期 126-132页

作者：岑威钧袁丽娜王帅河海大学水利水电学院江苏南京210098 广东省水利电力勘测设计研究院广东广州510635

为研究地震波非一致输入对三维高面板坝动力反应的影响,采用波场分离的思路将人工动力边界处的总波场分解为无局部场地效应影响的自由场和局部场地效应引起的散射场,借助黏弹性边界建立地震波在自由场作用下地震动非一致输入,实现考虑... 详细信息

为研究地震波非一致输入对三维高面板坝动力反应的影响,采用波场分离的思路将人工动力边界处的总波场分解为无局部场地效应影响的自由场和局部场地效应引起的散射场,借助黏弹性边界建立地震波在自由场作用下地震动非一致输入,实现考虑地基辐射阻尼和地震波行波效应的地震动输入。对我国西南地区某高面板坝进行非一致地震动反应分析,研究P波和SV波作用下坝体结构的动力反应规律。结果表明:当P波非一致输入时,随着入射角度的增加,竖向加速度和动位移极值逐渐减小,水平向加速度和动位移极值逐渐增大;SV波非一致输入时,地震动反应规律与P波入射时相反。入射角度对地震波的行波效应以及坝顶加速度反应谱幅值等都有较显著的影响。

关键词：非一致输入黏弹性边界入射角行波效应高面板坝地震反应

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不同边界效应的渡槽地震动破坏模式研究

人民黄河 2023年第7期45卷 140-146页

作者：黄万超王彤彤张程刘旭辉蒋莉华北水利水电大学水利学院河南郑州450046 水利部南水北调规划设计管理局北京100038 长江水利委员会长江科学院湖北武汉430010 流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室湖北武汉430010 大连理工大学建设工程学部辽宁大连116085

探讨了黏弹性边界和无限元边界理论与方法,就二者边界对波能的吸收效果进行了验证;并结合南水北调某大型渡槽工程实际,建立渡槽-地基-边界耦合高精细化数值模型,引入混凝土塑性损伤本构进行抗震时域分析,研究地震作用下渡槽结构的动态... 详细信息

探讨了黏弹性边界和无限元边界理论与方法,就二者边界对波能的吸收效果进行了验证;并结合南水北调某大型渡槽工程实际,建立渡槽-地基-边界耦合高精细化数值模型,引入混凝土塑性损伤本构进行抗震时域分析,研究地震作用下渡槽结构的动态损伤机制。结果表明:两种边界对波动能量的消散均有很好的控制成效;两种边界计算结果规律相似,位移响应在x向差异为11.09%~25.32%;强震响应下渡槽结构的墩帽、墩身及承台与墩身连接处出现不同程度的损伤,在结构设计时应对这些部位着重关注。此外,相比于黏弹性边界,无限元边界设置简便、工作效率高,可为动力计算中边界处理提供参考。

关键词：渡槽结构黏弹性边界有限元-无限元耦合边界塑性损伤本构动力损伤机制

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地下T型交叉管廊抗震分析

地下T型交叉管廊抗震分析

作者：闫启超天津大学

学位级别：硕士

随着地下综合管廊快速发展,在修建过程中必然形成十字或T型交叉管廊,研究T型交叉管廊在地震作用下的受力特性和适用于工程设计的简化计算方法显得尤为重要。本文首先采用时程分析方法,利用有限元软件ABAQUS分别建立T型交叉管廊沿两个垂... 详细信息

随着地下综合管廊快速发展,在修建过程中必然形成十字或T型交叉管廊,研究T型交叉管廊在地震作用下的受力特性和适用于工程设计的简化计算方法显得尤为重要。本文首先采用时程分析方法,利用有限元软件ABAQUS分别建立T型交叉管廊沿两个垂直轴线方向振动的三维土层-管廊模型。土体在地震过程中的非线性特性由等效线性化方法模拟,土层的截断边界由粘弹性边界处理,同时在截断边界处施加等效节点力实现地震荷载的输入,由塑性损伤模型模拟综合管廊的混凝土在地震作用下的刚度变化情况。通过上述理论实现T型交叉管廊模型的时程分析方法计算,得出在地震作用下T型交叉管廊两垂直方向上管廊的内力分布规律,以及设置T型节点后管廊在地震作用下的内力最大的位置。同时采用拟静力分析方法对T型交叉管廊建模进行抗震计算,把自由场在地震作用下的位移响应施加于与综合管廊相连接的土弹簧上模拟地震作用下土体与综合管廊之间的相互作用,得到地震作用下的综合管廊的响应。同样分析确定了T型交叉管廊在地震作用下的内力最大的截面,以及内力最大截面上内力最大的位置;对比分析拟静力分析方法计算的结果与时程分析方法计算的结果,得到拟静力分析方法对简化T型节点的时程分析方法模型的相对误差,为T型节点综合管廊的抗震设计提供一种简化计算的参考的依据。研究表明,相比于非交叉管廊,T型节点的存在会在交界位置处对发生轴向振动的管廊的截面弯矩影响最大,对发生横向剪切振动的管廊的轴力影响最大;远离T型节点的标准段管廊最不利位置在侧板与底板交界位置;T型交叉管廊沿轴线与对称轴相同方向振动工况下的内力大于沿另一垂直轴线向振动工况下的内力。T型交叉管廊沿轴线与对称轴相同方向振动工况为T型交叉管廊抗震设计的控制工况,在控制工况下,拟静力分析方法可以作为时程分析方法的简化计算方法来反映T型交叉管廊的内力分布趋势。

关键词： T型交叉管廊拟静力分析方法黏弹性边界时程分析方法土弹簧

移动和瞬态荷载作用下饱和土体和衬砌相互作用研究

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移动和瞬态荷载作用下饱和土体和衬砌相互作用研究

作者：戴凯鑫浙江工业大学

学位级别：硕士

近年来,随着我国经济的快速发展和日益加快的城市化进程,城市交通面临着巨大的压力,各大城市为了改善城市交通的拥堵,缓解交通线的密集,积极开展了一系列地铁和隧道工程的修建。但是隧道内外部的动力荷载对隧道衬砌以及周围土体产生的... 详细信息

近年来,随着我国经济的快速发展和日益加快的城市化进程,城市交通面临着巨大的压力,各大城市为了改善城市交通的拥堵,缓解交通线的密集,积极开展了一系列地铁和隧道工程的修建。但是隧道内外部的动力荷载对隧道衬砌以及周围土体产生的振动影响不容忽视,因此研究动力荷载作用下土体和衬砌相互作用规律具有重要意义。本文采用理论分析加数值算例的方法对移动和瞬态荷载作用下土体和衬砌相互作用开展了相关研究,具体研究工作包括以下几点:(1)采用波函数法给出了移动点源作用下成层半空间中圆形衬砌隧道动力响应的解析闭合解,其中圆形衬砌隧道模拟为中空圆柱体,隧道周围土体模拟为含有圆形孔洞的半空间,衬砌结构和土体均为黏弹性介质。利用平面波和柱面波矢量波函数间的变换特性解决直角坐标系和柱坐标系的转换问题,并最终通过施加地表和隧道-土体界面处的位移、应力边界条件完成整个模型的解析求解。此解析解可为地铁列车环境振动问题提供一套高效准确的分析方法,并可作为其他数值方法的基准解。(2)引入黏弹性边界模型,研究了三种瞬态荷载形式下黏弹性边界上径向刚度系数K和阻尼系数C对饱和土体和衬砌的径向位移、应力的影响。基于Biot波动理论,建立饱和土体的波动方程,将衬砌视为弹性介质,建立衬砌的控制方程,采用Laplace变换以及数值逆变换方法求得各个表达式在Laplace变换域内以及时域内的解。取退化条件下的黏弹性边界参数,和完美黏结边界条件下土体径向位移和应力进行对比,验证了黏弹性边界条件下解答的正确性,并分析了突加荷载、阶跃荷载和三角脉冲荷载下,不同K与C值对饱和土体和衬砌结构动力响应的影响。(3)基于VB混合物理论,将非饱和土视为准饱和多孔介质,对比分析了准饱和土中不同饱和度下土体、衬砌位移和应力响应,并着重研究了衬砌-土体不同接触边界条件对动力响应的影响。将非饱和土波动方程简化为准饱和土动力控制方程,并转换为位移表达形式,运用Laplace变换在变换域内求解准饱和土和衬砌波动方程,利用黏弹性边界、衬砌内表面力与位移关系求得各个表达式的未知数,通过数值算例分析讨论了不同土体饱和度下衬砌和土体振动响应规律,可为瞬态荷载作用下土体和衬砌相互作用动力分析提供理论依据。

关键词：动力荷载土体-衬砌相互作用黏弹性边界波函数 Biot理论

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地下综合管廊结构地震易损性分析

地下综合管廊结构地震易损性分析

作者：张景威大连理工大学

学位级别：硕士

综合管廊是一种现代化、集约化的城市基础设施,其内铺设有两种或两种以上的城市市政管线,在日本,综合管廊被称为“共同沟”。由于综合管廊是一种隧道形式的埋地结构,其自身的整体刚度相对于其他地上建筑结构较大,所以能够高效利用城市... 详细信息

综合管廊是一种现代化、集约化的城市基础设施,其内铺设有两种或两种以上的城市市政管线,在日本,综合管廊被称为“共同沟”。由于综合管廊是一种隧道形式的埋地结构,其自身的整体刚度相对于其他地上建筑结构较大,所以能够高效利用城市的地下空间。并且综合管廊能够较好地抵御各种地震、台风、冰冻等自然灾害,被认为是解决当前城市发展过程中种种乱象的有效途径之一,其在我国城市现代化建设中变得越来越重要。综合管廊在工作过程中必然受到不同强度的地震动作用,但是国内外学者对地下综合管廊结构的抗震研究还未成熟,地震作用下的综合管廊易损性分析更是少之又少,因此本文对综合管廊在地震作用下的易损性分析进行了数值模拟研究。本文主要做了以下工作:1)阐述综合管廊的发展背景与特点,研究国内外综合管廊的发展历史和现状,总结综合管廊建设的优点和不足;对历年来地下综合管廊的震害情况以及抗震研究现状进行研究,并对几种常用的地下结构抗震研究方法进行了总结。2)简述有限元基本理论,介绍ANSYS有限元分析流程;分析了土体的D-P本构,对比分析抗震规范及ANSYS中提供的混凝土弹塑性本构;分别总结了黏性边界、透射边界和黏弹性边界优缺点,根据算例验证黏弹性边界模拟地震波在土体中传播的优越性;阐述土体与地下结构的接触关系并详细介绍了ANSYS中接触单元的选择原则和选择类型。3)介绍建模过程中的一些基本假设,确定土体及混凝土材料的参数及本构关系,确定有限元模型的尺寸大小和网格划分,采用点-点接触方式来实现土体和管廊结构的接触;在场地范围的边界设置两向弹簧单元形成黏弹性人工边界条件;根据上海浦东地区的地震设计参数生成标准的设计反应谱曲线,以设计反应谱为依据从PEER地震波数据库选取13条实测地震波,将选取的每条实测地震波数据进行调幅(7)0.1g-1.0g(8)处理,分别将调幅后的每条地震波数据输入到有限元模型中,根据管廊结构的位移响应数据对其进行地震作用下的易损性分析;4)介绍易损性分析所采用的增量动力分析(7)IDA(8)方法及其分析步骤;对综合管廊有限元模型进行模态分析,并根据模态分析得到的结构自振频率运用瑞利阻尼公式得到结构阻尼比;通过实测Chi-Chi地震动的作用对管廊结构进行地震响应分析;根据混凝土应力-应变曲线的形状定义管廊结构的损伤状态及性能水平;依据非线性分析的结果,运用概率地震需求分析的方法对管廊结构进行易损性分析,得到基于两种性能参数的结构易损性曲线,根据易损性曲线的形状对管廊结构的损伤概率进行了分析总结。5)对本文所得结论进行总结,并对研究过程中的一些不足之处进行了说明。通过对未来的展望,确定本课题接下来的研究方向及思路。

关键词：综合管廊黏弹性边界接触易损性分析增量动力分析性能水平易损性曲线

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盾构隧道纵向地震响应分析方法比较研究

盾构隧道纵向地震响应分析方法比较研究

作者：梁晔峰北京交通大学

学位级别：硕士

盾构隧道是目前我国地下轨道交通的主要结构形式,其关于地震安全性的研究具有非常重要的社会、经济意义。当前,针对隧道抗震性能的研究依然集中在隧道横截面方向,而纵向抗震研究相对不多;近年来隧道纵向抗震逐渐受到重视,出现了一些新... 详细信息

盾构隧道是目前我国地下轨道交通的主要结构形式,其关于地震安全性的研究具有非常重要的社会、经济意义。当前,针对隧道抗震性能的研究依然集中在隧道横截面方向,而纵向抗震研究相对不多;近年来隧道纵向抗震逐渐受到重视,出现了一些新的抗震计算方法,但各方法之间的对比研究依然比较缺乏;此外对于地下工程抗震而言,采用不同的地震动输入方法可能会对计算结果有很大影响。为此,本文探寻了较合适的地震动输入方法,利用自编程合成的人工地震波,对目前常见的几种盾构隧道纵向抗震计算方法进行了对比研究。文中开展的主要工作与取得的成果如下:（1）地震动输入方法与人工边界原理的总结与实现总结了黏弹性边界与地震动应力输入的原理,并利用ABAQUS的python二次开发接口,自编程序加以实现。将计算结果与理论解及其他输入方法的结果对比,结果表明地震动应力输入方法与理论解符合良好,适宜在地下工程抗震中采用。（2）利用三种方法开展了盾构隧道地震反应分析和比较分别采用纵向反应位移法、广义纵向反应位移法和动力时程分析法对盾构隧道进行纵向抗震计算。从内力最大值看,纵向反应位移法计算值要偏于安全;从隧道纵向的内力包络图看,平直隧道的地震内力沿纵向分布比较均匀。（3）开展了盾构隧道纵向抗震的参数分析改变地震震级、埋深、截面尺寸等参数,观察其对各方法得到的隧道纵向地震响应内力的影响。结果表明,震级加大将使内力显著增大,且纵向反应位移法的计算结果会逐渐偏于不安全;埋深的增加会使得内力变小但影响较有限,各方法计算结果相差不大;放大截面尺寸后弯矩内力将稳定增大,但轴力的增长相对较慢。在截面尺寸较大时,纵向反应位移法和广义纵向反应位移法均偏于不安全。（4）研究了穿越软硬不均土层隧道的地震响应将盾构隧道置于纵向软硬不均地层中并研究地震作用下的内力响应规律。结果表明内力较大的区域将出现于分界面附近且主要位于软土侧,硬土侧则相对微弱。软土侧弯矩显著增大区域的长度约为隧道截面直径2倍而轴力可达4-8倍;软硬土的模量相差越大则对隧道纵向抗震越不利。

关键词：盾构隧道纵向抗震地震动输入方法黏弹性边界反应位移法