土结相互作用的地基沉降和结构内力计算方法

基础不均匀沉降将在上部结构内产生附加内力,而且地基变形也是随施工过程逐渐累积的过程.然而,常规计算方法既没有充分考虑上部结构、基础、地基之间的共同作用,也没有反映施工过程对结构内力的影响.针对上述问题,笔者推导了施工过程中地基变形和结构内力的计算公式,提出了考虑土结相互作用并模拟施工过程的实现方法.为研究地基变形和结构内力提供了手段,对采动区土地复垦及抗变形建筑物的设计、施工,防止或减轻地基变形对建筑物的损坏等具有重要现实意义.

土结相互作用对罐液体系动力特性的影响研究

基于拉格朗日方法建立考虑流固耦合效应的模态方程,利用ANSYS软件建立包含土层自由场地、桩基承台场地模型,刚性地基空罐、满罐、以及考虑土结相互作用的空罐和满罐等六个数值模型,得到工程场地的自振频率以及土体对罐体系统动力特性的影响。研究了各种模型自振频率和振型参与系数随阶数的分布情况;结果表明,桩基承台的存在使得场地第一阶振动频率有所增大。罐内液体的晃动频率不受土结相互作用的影响;考虑土结相互作用之后,出现了液体对流晃动频率、土-罐-液整体振动频率和罐液耦联振动频率等低、中、高三个振动频率,且前两阶频率罐液耦联振动频率有所减小,也更为密集;应考虑土结相互作用的影响,否则将会高估罐液耦联振动频率;最后运用子结构理论对考虑土结相互作用引起动力特性变化进行了解释,并给出了动力计算中考虑土结相互作用时罐液体系瑞利阻尼系数的选取建议。研究结论可为考虑土结相互作用储罐的地震响应分析提供参考。

土结相互作用对质量不规则钢框架抗地震倒塌性能的影响

对4种钢结构体系进行振动台实时动态子结构试验研究,包括规则钢框架(R-SMRF)、不规则钢框架(Ir-SMRF)、土结规则钢框架(R-SMRF-SSI)和土结不规则钢框架(Ir-SMRF-SSI)。研究发现,附加的设备质量和地基土会对低层钢框架结构抗地震倒塌性能产生影响,结构的倒塌模式为侧移性倒塌。在小震作用下,设备鞭梢效应导致结构顶层的加速度响应增大;在中震作用下,结构中损伤发展,因此设备质量甚至会降低结构的加速度响应;相比之下,地基土增大的自振周期总是降低结构的加速度响应。随着震级增加,结构的位移响应增强,结构的损伤和残余变形增大,最终大震结构发生底层侧移性倒塌。地基土减小上部结构的位移响应,具有减震作用;而设备质量增大结构的位移反应,对结构抗地震倒塌不利。

考虑土结相互作用的有限元法与传统方法的比较

在土木工程中,土与结构的相互作用随着人们对问题的认识在工程界受到越来越多的关注。区别于近年发展起来的以有限元为代表的数值分析法,面对越来越复杂的问题,人们一直沿用的传统方法解决问题的能力有欠说服力。这源于在分析过程中人们往往对土体做了过于理想的简单化,并且把结构与土体剥离出来各自分析考虑。土木工程是一门很注重实践和经验的学科,而土体的性质又决定了实验的重要性。因此,文章在立足于大量工程实践和实验的基础上对新的有限元分析法与传统计算方法进行比较,揭示有限元分析的结果的合理性。两种方法处理问题的思路和实用性的对比表明,有限元分析法能够更合理地考虑各种问题,且具有高效性,能够为现有设计提供可靠、快速的依据。

深埋反应堆厂房土结相互作用下的楼层反应谱分析

埋深对核安全级厂房楼层反应谱的计算具有较大影响,尤其当埋深较大且周围的地基岩性较好时,其对厂房的约束作用不可忽略,土—结相互作用明显,国内鲜有对深埋结构采用三维整体分析法进行土—结相互作用分析的研究。利用ANSYS分别建立某反应堆厂房上部结构和其周围岩土体的三维有限元模型,两者之间采用接触单元进行真实模拟,采用无质量的三维地基模型进行楼层反应谱的计算,并同采用地基阻抗函数简化模型来考虑地基影响的ANSYS三维结构有限元模型所计算的楼层反应谱进行对比分析,以期为类似工程的楼层反应谱计算提供一些有用的参考和建议。

考虑土-结相互作用的大型结构高效地震分析方法

在对大型工程结构进行地震反应分析时土-结构相互作用通常不可忽略,然而,结构本身巨大的体量及考虑土-结构相互作用后引入的大范围土域模型导致计算规模通常十分庞大,由此引起的计算效率低下问题已成为制约此类结构性能分析的关键因素。该文提出一种新型土-结相互作用分析方法,并基于此实现了大型结构考虑土-结构相互作用的高效地震反应分析,建立不同接触状态下的单元法向和剪切相对位移分解方法;采用三维无厚度Goodman接触面单元格式对土与结构的接触行为进行描述,并通过插值方法对单元非线性变形进行描述,推导出隔离非线性的接触面单元控制方程;在此基础上,建立了大型工程结构考虑土-结构相互作用的整体式计算模型和高效地震反应分析方法。由于该文方法在每次迭代求解过程采用Woodbury公式计算结构响应,其仅需对一个规模极小的局部非线性矩阵进行迭代更新,避免了传统方法所需的结构大规模整体刚度矩阵实时更新分解,因而能够大幅度提高结构地震反应分析效率,数值算例验证了该文方法的有效性及高效性。

考虑土-结构相互作用的LRB隔震梁桥体系地震反应分析法

为了研究在双向地震激励下,考虑土一结构相互作用的LRB隔震梁桥结构体系的反应特性以及不同类型土对其隔震梁桥地震反应峰值的影响.采用集中参数法,给出了双向水平地震激励下考虑SSI的一种时域计算分析隔震桥梁地震反应的方法.并在考虑和忽略SSI时,对一座三跨连续LRB隔震梁桥的地震反应峰值的影响进行了比较分析,结果证实,土-结构相互作用对LRB隔震梁桥结构地震反应与场面类别、断层以及地震动选择等关系密切.

土结相互作用对框架结构倒塌的影响研究

在结构的强震倒塌研究中,结构底部土体的变形会影响上部结构的非线性性能和倒塌机制。该文以一10层钢筋混凝土框架结构为例,利用纤维梁模型模拟梁、柱的非线性反应,并根据ATC-40的土体弹簧模型分别考虑软弱土、中软土、中硬土的影响。分析表明,考虑土结相互作用后,结构顶点位移变大,由此产生的结构侧移会加大结构的整体二阶效应,同时结构的变形明显集中于首层,对结构反应不利;从结构的破坏形态来看,不考虑土结相互作用,结构的破坏始于首层柱底,而考虑土结相互作用后,首层柱顶首先屈服破坏,在上部结构塑性性能未充分发挥前,结构底层发生倒塌破坏,结构的抗倒塌能力降低。

考虑土-结相互作用大型风力发电结构风致响应分析

以南京航空航天大学自主研发的某5MW大型风力发电结构为研究对象,建立考虑叶片离心力的"叶片-机舱-塔架-基础"一体化有限元模型,并通过在基础和土体交界面上设置质量弹簧和阻尼器来考虑土-结相互作用(简称SSI)效应;然后基于谐波叠加法和改进的叶素-动量理论模拟考虑旋转和相干效应的风力发电结构脉动风场;最后进行风力发电结构的风致响应分析。结果表明考虑SSI效应的大型风力发电结构风振响应具有多振型响应和多模态耦合特性,叶片和塔架的风致背景、共振响应及其耦合项作用机理不同。研究认为SSI效应对大型风力发电结构的风致响应影响明显。

土-结爆炸冲击相互作用模爆试验相似设计方法

模爆试验是研究爆炸冲击荷载作用下地基动力性能、土-结爆炸冲击相互作用及埋地防护结构抗爆能力与破坏机理等的重要手段之一。模型相似设计是确保模爆试验能够尽可能真实地反映原型爆炸冲击动力性状的关键之一。以上覆饱和砂土层对浅埋地下圆拱直墙式防护隧道免遭炸弹触地爆炸触发地冲击波破坏的保护效应为研究目的,基于目前广泛应用的Bockinghamπ定理,采用量纲分析方法,并且结合考虑土-结体系非线性爆炸冲击动力响应、土-结接触面爆炸冲击动力响应以及爆炸地冲击波-结构动力相互作用等的相似性,求解土-结爆炸冲击相互作用模爆试验的模型设计相似关系。

地形和土-结相互作用效应对三维跨峡谷桥梁地震响应的影响分析

评估跨峡谷桥梁的地震性态需要考虑地形效应、行波效应以及土-结相互作用效应.将峡谷-桥梁系统在地震波输入下的反应分析看作波动散射问题,即桥梁及其邻近非规则区域对峡谷场地“自由场”的扰动.基于此思想,本文发展了一套跨峡谷桥梁地震反应分析方法,通过二维模型分析得到峡谷场地的“自由场”,结合人工边界输入到峡谷-桥梁体系,采用土-结相互作用分区并行方法对其进行分析,并编制了相应的分析程序.该方法可在自由场分析时考虑非垂直入射地震波,计入行波效应,因此可综合考虑行波效应、地形效应和土-结相互作用效应.通过峡谷场地分析算例,验证了自由场和人工边界实施的正确性;并以马水河大桥为对象,通过5种计算模型结果的比较,分析了地形效应和土􀀀结相互作用效应对跨峡谷桥梁地震反应的影响,算例结果表明,地形效应对墩底剪力、弯矩和轴力有明显影响,对位移的影响要比对剪力、弯矩的影响小;土-结相互作用对桥梁反应的影响较大,较大地减小了桥梁反应.

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.

基于多振动台的土-结相互作用动力子结构试验方法研究

土-结构动力相互作用的研究已经持续了100多年,取得了大量理论研究成果,但受试验设备和试验方法的限制,试验研究还很欠缺。土-结构动力相互作用的整体分析法是将土和结构同时作为试验对象,其对试验设备尺寸和输出荷载要求较高,目前只能进行大比例缩尺试验,即便如此,对于桥梁等长大型结构在多维多点地震作用下的性能的试验,目前的试验设备也无能为力。近年来得到发展的实时子结构实验方法的优点就是能够在现有实验条件下对工程结构中关键部分进行足尺实验,该方法为实现多维多点土-结构动力相互作用混合试验提供了可能。本文以九子台模拟地震振动台台阵为设备基础,将土模型作为数值子结构,结构物作为物理子结构,研究考虑土-结构动力相互作用的多维多点混合抗震试验方法。

非水平成层场地上核电结构时域土–结相互作用分析

目前核电土–结相互作用分析的主流软件SASSI,采用频域等效线性化,不能很好地考虑土体强非线性,且仅适合于水平成层场地。时域土–结相互作用分析方法可以考虑土体强非线性以及非水平成层场地,但效率较低,难于用于实际工程。采用一种高效的时域土–结构动力相互作用分析的分区算法,地基无限域通过集中质量显式有限元和黏弹性人工边界进行模拟,上部结构通过隐式有限元方法进行分析,两者可采用不同的时间步距,并通过MPI通信协议,实现并行计算。以某一核电结构模型为例,分析了某非水平成层场地上核电结构在三向地震波输入下的反应,验证了该方法的高效性和用于大型实际工程的可行性。

土-结动力相互作用研究综述(Ⅱ)——简化分析模型

详细地分析了国内外关于土－ 结动力相互作用近二十种简化分析模型， 引入考虑土－ 结动力相互作用效应的平面和空间杆系模型。

桩-土-结构动力相互作用体系自振特性的分析

针对土与上部结构动力相互作用的问题,采用ANSYS^(R)软件进行了桩-木-结相互作用线性体系的模态分析,建主了钢筋混凝土剪切型结构的计算模型,研究了桩-土-结相互作用体系的自振特性。结论表明:用ANSYS^(R)软件可以方便地分析土与结构动力的相互作用,与刚性假定下的结构体系相比,PSSI体系的自振特性发生了变化。

土与结构动力相互作用隔震体系的MB计算方法

采用刚性地基假定是目前结构控制研究的基本条件,此假定忽略了土与结构相互作用效应的影响。但由于土与结构相互作用效应对结构振动特性有一定的影响,进而影响结构控制的效果,因此有必要研究土与结构动力相互作用的简化计算方法。基于上述原因,进行了线性体系土与结构相互作用效应对隔震体系的MB计算方法的研究。

土结动力相互作用对框架结构地震反应的影响

利用ABAQUS有限元软件建立了不同框架结构地震反应的计算模型,对框架结构地震下的反应进行了数值模拟研究,得出了不考虑土结动力相互作用以及考虑土结动力相互作用两种情况下框架结构地震反应的差异,为设计人员进行更精准的结构设计提供了指导。

非线性土—结动力相互作用的时域子结构分析

采用子结构方法分析了二维平面应变有限元土—结动力相互作用。为研究土—结相互作用的影响,进行了土—结相互作用问题的完整分析,即考虑线性和非线性土—结相互作用及不考虑土—结相互作用进行了分析计算。土—结相互作用的时域分析计算量很大,为减小计算量,提出了计算褶积分的有效方法。算法基于单位脉冲反应矩阵在某个时间步后的线性时间关系进行近似求解,即采用递归算法。对长模拟时间,这种时间近似求解能显著减小计算量。

土—结动力相互作用研究

本文用行波的观点 ,以集中质量显式有限单元法结合局部透射人工边界 ,详细论述了在时域内分析土—结相互作用问题的计算方法 ,同时还给出了工程实用的土体离散化准则及抑制高频失稳的措施。最后 ,针对计算模型 ,在坚硬地基与软土地基条件下用自编的 3DSSI程序进行了土—结相互作用分析 ,通过比较研究不仅验证了本程序的正确性 ,还得出了一些有益的结论。