悬浮隧道地震动力响应及参数影响规律研究

为研究地震作用下悬浮隧道的动力响应问题,建立悬浮隧道二维截断有限元模型,基于Morison方程确定隧道管体和锚索上的水动力载荷,地震荷载的输入通过在锚索底部与海床铰接位置处输入地震加速度响应时程来实现,分别研究了不同地震类型、强度及双向地震动对悬浮隧道系统动力响应的影响,同时分析了隧道附加质量,结构阻尼与隧道、锚索拖曳力等参数对悬浮隧道系统响应的影响规律。结果表明:不同特性的地震动引发的隧道响应存在显著差异,能量较为集中的长周期地震动会引发较大的隧道响应,而能量较为分散的短周期地震动引发的隧道响应相对较小。当地震动引发隧道响应较小时,单向地震动单独作用仅能激发所对应方向的隧道响应;当地震动引发隧道响应较大时,水平方向地震动单独作用除了激发隧道的水平响应外还会激发一定的竖向响应,此时双向地震动作用下隧道加速度放大系数低于单向地震动单独作用,且放大系数随着地震强度的增大而减小。多数时间范围内,双向地震动的作用下锚索的张力波动稍大于单向地震动单独作用时的锚索张力;隧道附加质量、结构阻尼以及隧道、锚索拖曳力等参数均对隧道响应产生一定的抑制效果,但隧道附加质量会增大锚索张力。

海域地震动强度包络模型研究

人工模拟地震动是目前开展海洋工程结构抗震分析的主要地震输入分析。强度包络函数是人工模拟地震动的重要参数,决定了地震动的强度非平稳性特性,并对地震动持时起控制作用。目前的地震动强度包络模型均是基于陆域地震动记录统计分析得出,无法准确反应海域地震动的强度特性。因此,基于日本K-Net强震动观测台网的实测地震数据库,分析海域地震动在时域中强度分布特性;提出适用于海域地震动的三段式强度包络模型,回归得到震级M、震中距R及关键参数上升段t_(1)、强震平稳段ts、下降段衰减率c(无量纲)的计算表达式;研究震级、震中距对海域地震动强度包络模型的影响规律,并探讨海域地震动与陆域地震动强度包络模型的异同。研究结果表明:海域地震动强度包络模型中关键参数上升段t_(1)、强震平稳段ts、下降段衰减率c的取值范围分别为[13~52 s],[12~79 s],[0.037~0.173];震级对关键参数(t_(1)、t_(s)、c)的影响要大于震中距;与陆域地震动相比,海域地震动的强度包络模型的下降段衰减率c相差显著,且各关键参数的分布范围更大。

水-椭圆柱体相互作用分析的精确和简化模型

针对柔性椭圆柱体在水中的振动问题,提出一种代替水-结构动力相互作用的附加质量模型.基于椭圆柱体动水压力的计算公式建立了水中椭圆柱体的自由振动方程,进一步推导了水中椭圆柱体自振频率和振型的解析公式;基于振型叠加法推导了水中椭圆柱体地震动力反应的计算公式;通过附加质量代替水-结构相互作用,提出了水中椭圆柱体自振频率的计算公式;通过曲线拟合给出了附加质量的简化计算公式,该简化公式数学表达简单,适用于工程应用.

一种高精度圆柱形人工边界条件:水-柱体相互作用问题

针对水-柱体动力相互作用问题,提出一种用于模拟无限域水体的圆柱形高精度时域人工边界条件。首先,基于三维可压缩水体的波动方程和边界条件,采用分离变量法建立了时空全局的精确人工边界条件;然后,将其动力刚度表示为外域模型和波导模型人工边界条件动力刚度的嵌套形式;之后,应用时间局部化方法得到时间局部的高精度人工边界条件;最后,离散高精度人工边界条件,并将其与近场有限元方程耦合,形成一种能够采用显式时间积分方法求解的时间二阶常微分方程组。数值算例表明:提出的三维圆柱形高精度人工边界条件精确、高效、稳定。

考虑水体压缩性的椭圆柱体地震动水压力分析

地震作用下水与柱体结构的相互作用会对结构产生动水压力,该文研究椭圆柱体的地震动水压力。首先,基于椭圆坐标系推导了椭圆柱体地震动水压力的解析解;其次,通过ABAQUS声固耦合方法验证了提出的椭圆柱体地震动水压力的解析解,算例表明两者误差在1%左右;最后,引入无量纲参数数频率、宽深比和长短轴比,定量分析了水体压缩性对地震动水压力的影响。

任意光滑截面桥墩地震动水压力分析

对地震作用下任意光滑截面柱体上的动水压力,提出了一个解析的计算公式。基于辐射波浪理论,采用分离变量法推导了任意光滑截面柱体动水压力的精确计算公式,利用水层模态的正交性并将连续光滑函数展开为傅里叶级数确定计算公式的系数。通过对刚性椭圆形和圆端形截面柱体动水压力的计算表明,提出的动水压力解析公式具有很好的计算精度。

基于BP神经网络算法的混凝土单层框架损伤识别

基于BP神经网络算法,采用框架结构损伤前后固有频率的变化率作为网络的输入参数,分别对框架梁的单处损伤、框架柱的多处损伤进行损伤位置的识别。数值仿真结果表明,BP神经网络算法对混凝土框架结构损伤位置的识别效果很好。

水下爆炸作用下基于声学的爆源子结构输入方法

无限域吸收边界和爆炸波输入是水下爆炸载荷数值模拟的两个关键问题.本文借鉴基于内部子结构的地震波动输入方法和爆源子结构多尺度分析方法,考虑水下爆炸载荷与地震载荷同属于波动问题,提出一种水下爆炸作用下爆源子结构的爆炸波输入方法,该方法首先通过对爆源区域进行水下爆炸波自由场的波场分解,并利用地震波的内部子结构输入方法,将该自由波场运动转换为等效爆炸波输入载荷,从而实现了水下爆炸问题中冲击波的输入;本文采用圆形爆源子结构区域,并采用AUTODYN软件中一维自由场模型计算水下爆炸作用下该区域的自由波场压力时程.进一步,基于连分式近似方法提出了一种模拟无限域水体辐射效应的高精度时域人工边界条件,该吸收边界可设置于离结构和爆源子结构较近处.本文提出的分析方法通过圆形爆源子结构进行水下爆炸载荷的转化,并采用高精度吸收边界大大减少计算区域,既保证了计算精度,又降低了单元数量,具有较高的计算效率和较强的实用性.通过数值算例分析,验证了本文模型与方法的准确性,模拟了水下爆炸作用下的冲击波和气泡脉动阶段测点的压力时程曲线,并研究了圆形结构对水下近场爆炸波散射效应的影响规律.

考虑土体弹性半空间的水-桩-土相互作用系统在SV波作用下的解析解

近海结构单桩基础所在海洋环境复杂,地震作用下近海桩基础结构工程可能遭受严重的破坏。针对桩基础结构在地震作用下的动力响应问题,建立了一种地震作用下考虑土体弹性半空间的水-桩-土相互作用系统简化解析解;首先,桩体假设为黏弹性材料,可在水-桩-土相互作用系统中分为多个桩段,土体和水体分别假设为线黏弹性介质和声学介质;然后,基于亥姆霍兹分解、分离变量法和水-桩-土连续性条件,得到了整个桩体的位移表达式;之后,把解析解退化为两种情况,分别与无水有土情况下的子结构方法以及有土有水情况下的刚性解析解方法进行了对比,从而验证弹性解析解的合理性;最后,通过使用本弹性解析解进行了一些参数分析,以此研究水体、土体和桩体3种参数对桩体位移动力响应的影响,研究结果对海上桩基设计有一定的参考价值。

黏土中海上风力机桩-筒复合基础地震响应分析

参考NREL海上风力机结构参数,基于ABAQUS软件平台,建立黏土中海上风力机桩-筒复合基础的三维整体有限元模型;采用总应力形式的非线性运动硬化模型描述黏土的不排水动应力应变响应,通过编制Matlab程序实现随机风荷载及波浪荷载的模拟;开展地震及风、浪、流荷载共同作用下海上风力机桩-筒复合基础的时域整体动力响应分析,揭示桩-筒复合基础的承载机理,分析地震烈度、土体强度及基础尺寸对桩-筒复合基础动力响应的影响规律。

椭圆形柱体地震动水压力的简化分析方法

首先,文章基于辐射波浪理论,在椭圆坐标系下采用分离变量法推导了水中椭圆形柱体地震动水压力的解析解。之后,采用有限元方法建立了地震作用下水与结构相互作用的动力方程,方程中水体对结构的作用为一满阵的附加质量矩阵。满阵的附加质量矩阵难以在商业有限元中实现,因此提出了集中的附加质量矩阵方法,其中结构柔性引起的附加质量为集中附加质量矩阵和修正系数的乘积,该修正系数与无量纲参数宽深比和长短轴比相关。最后,通过曲线拟合,提出了刚性椭圆柱体动水力的均布附加量简化公式,该简化公式是无量纲参数宽深比和长短轴比的函数。

融入课程思政元素的基础工程课程建设

作为土木工程专业的核心必修课程,基础工程的课程思政建设有着十分重要的意义。针对如何在基础工程课程中开展思政建设这一问题,该文依次从课程简介、课程思政建设的重要意义、课程思政建设的现状分析以及课程思政建设的有效路径这四个方面进行了研究与探讨,以期为高校开展理工类专业课程思政建设工作提供有益的参考与建议,达到培养学生精益求精的工匠精神和工程伦理意识,从而实现立德树人的教育目标。

桩顶水平动荷载作用下水-桩-土相互作用的解析解

近海结构单桩基础一般会遭受到多种水平动力荷载作用。针对端承桩在桩顶水平动力荷载作用下的动力响应问题,建立了一种三维水-桩-土相互作用系统模型;首先,桩和土体假设为线黏弹性介质,水体假设为线性声学介质;然后通过亥姆霍兹分解和分离变量法,给出了水体和土体阻抗对水-桩-土相互作用系统中桩体动力响应的解析解,进一步根据桩与水体、土体接触界面的连续条件,得到频域下桩体位移表达式。通过与子结构方法进行对比,验证了本文解析解的合理性;最后研究了不同桩体和土体参数时水体对桩体顶部位移响应的影响。结果表明,在海上桩基设计中考虑水-桩-土相互作用是非常有必要的。

弯扭复合作用下RC圆形桥墩滞后性能及模型研究

多维地震作用下,斜交桥和曲线桥梁等非规则桥梁的钢筋混凝土(RC)桥墩受到轴压、弯曲、剪切和扭转复合作用,特别是在扭转作用,引起非规则桥梁RC桥墩弯剪失效,从而影响桥梁结构的抗震性能。为了阐明弯曲和扭转耦合作用对RC圆形桥墩滞后性能的影响,对扭弯比不同的12个RC圆形桥墩进行循环试验研究,评价弯扭相互作用对RC桥墩抗弯性能和抗扭性能的影响,并基于试件的破坏特征以及力和位移关系等试验结果,建立能够预测弯扭相互作用下RC桥墩滞后性能的恢复力模型。结果表明,弯扭相互作用降低了RC桥墩的抗弯和抗扭承载力,桥墩的变形特征和失效模式发生了改变,损伤破坏区域要高于弯曲塑性铰长度区域。提出的考虑扭弯比影响的RC桥墩的弯曲恢复力模型和扭转恢复力模型,可以较好预测弯扭相互作用下RC圆形桥墩的滞回性能。

动水力简化计算方法对圆形桥墩地震反应的影响

基于不可压缩水体的假定条件,国内外研究者提出多种可供工程实用的动水力简化分析模型和计算方法,如刚性柱法、莫里森法和基频近似法等.为研究上述简化方法所得桥墩动力响应的差异,将基于不可压缩水体辐射理论得到的精确解作为标准,针对受水平地震动激励的水中弹性悬臂圆形桥墩进行地震响应的对比分析.选取对动水力有影响的水深和宽深比,通过输入3条中软土场地的地震动记录,总共设计144种不同尺寸的桥墩、水深以及地震作用工况,得到各工况下桥墩的顶部位移、底部剪力和弯矩响应.通过对顶部位移、底部剪力和弯矩响应峰值相对误差的范围、均值和变异系数的分析讨论,得到3种简化方法的计算精度,初步给出各方法的适用范围.

动水力简化计算方法对圆形桥墩传递函数的影响

刚性柱法、莫里森法和基频近似法是可供工程应用的不可压缩无粘性水体地震动水力的简化计算方法。为研究上述方法的差异性,将基于不可压缩无粘性水体辐射理论推导的考虑结构变形的精确解作为标准,从频域传递函数的角度,对各简化方法进行比较分析。以水中悬臂圆柱墩为例,选取2个尺寸参数并设计了84种不同尺寸的桥墩,输入脉冲激励得到墩顶节点的位移传递函数、墩底节点的剪力和弯矩传递函数,提取各传递函数的前两阶共振峰幅值和共振频率,基于标准解结果求得3种简化方法的误差。通过分析误差的范围及变化趋势,发现刚性柱法所得共振峰幅值更精确,基频近似法所得共振周期更精确,莫里森法误差受参数的影响显著。此外,基频近似法所得共振峰幅值大多偏小,而莫里森法所得幅值和周期大多偏大。

运行状态下海上单桩风机系统自振频率分析

系统自振频率限制是海上风机结构设计中的一个关键因素。运行状态下风机动力荷载会引起基础的水平侧移,较大的水平侧移会导致基础刚度的降低,进一步影响风机系统的自振频率。该文基于有限元软件ABAQUS平台,建立单桩式海上风机结构系统的自振频率数值模型,并讨论运行状态下基础水平侧移对大直径海上风机系统自振频率的影响。模型中考虑了塔筒的变截面特性;桩-土相互作用通过p-y曲线方法模拟;桩和塔采用梁单元模拟;通过Pushover分析汇总出水平侧移引起的桩顶水平刚度。研究结果表明:桩基侧向位移会降低风机结构体系的自振频率;桩基侧向位移对基频的影响较小,对高阶频率的影响显著;大直径海上风机的频率计算中可忽略风机运行状态对体系自振频率的影响。

水下爆炸荷载作用下圆柱结构反射压力解析计算方法研究

为助于桥梁、码头等近海结构的抗爆和防护设计,该文拟针对近海结构中常见的等截面圆柱结构,提出一种计算水下爆炸情况中冲击波作用下圆柱分布反射压力的高效解析算法。基于绕射波浪理论,该文根据水体状态方程和边界条件,在柱坐标系下通过分离变量法推导圆柱结构反射压力的时域解;通过数值模拟对比验证该文提出的反射压力时域解的计算精度,数值算例表明二者计算误差在工程允许范围内;基于考虑水体压缩性的时域子结构分析方法,通过对比该文提出的未考虑水体压缩性的解析方法,分析了水体压缩性对反射压力的影响。

长春东大桥施工监测与控制

长春市快速轨道轻轨三期工程东大桥为(60+92+60)m预应力混凝土刚构-连续组合箱梁桥,连续梁侧曲线半径309.67 m。为了缩短施工工期,该桥采用长节段法现浇施工方案,且秋季施工昼夜温差大,如何控制混凝土初期的收缩及温度应力是本桥施工的难点。通过对混凝土浇筑后箱梁关键截面的应力应变情况的监控,并根据监控情况及时采取预初张等方案,保证了桥梁的施工安全,避免意外事故的发生。该桥的施工经验,可为今后该类桥梁的设计、施工提供参考。

考虑水-桩-土相互作用的单桩式海上风机结构系统自振频率解析解

海上风机结构系统频率是海上风机结构和基础设计考虑的关键因素之一,桩-土相互作用对海上风机结构系统频率影响显著。基于欧拉-伯努利梁理论和传递矩阵方法,考虑水-桩-土相互作用及塔筒变截面特性,建立单桩式海上风机结构系统横向振动自振频率特征方程;将桩-水相互作用等效为附加质量、桩-土相互作用等效为线性弹簧,变截面塔筒等效为多段均匀梁,利用MATLAB中fsolve函数求解固有频率。通过与有限元分析结果进行对比,验证本文方法精度与有效性,并将本文方法应用于实际工程中,研究桩基础埋深、上部质量、转动惯量和桩-水相互作用对单桩式海上风机结构系统自振频率的影响。