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。

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.

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。

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。

核电厂结构的不同规范土-结相互作用的阻抗函数比较

为比较中国、美国和法国三国在考虑核电厂土结相互作用(SSI)抗震分析方面主要规范的异同,通过对核电厂主要厂房结构应用GB 50267—1997、ASCE 4-98及RCC-G88三种规范,比较SSI阻抗函数的方法的异同,拟合便于工程使用计算刚度及阻尼系数的公式,运用ANSYS11.0通过等效简化分析,建立土弹簧-集中质量-梁模型进行模态分析,得到RCC-G88中与频率有关的阻抗函数。对比表明,对于刚度较大的核电厂主厂房土-结相互作用分析,RCC-G88反映地基动力特性,较ASC E4-98和GB 50267—1997保守。

考虑土-结构相互作用的特高压变压器抗震性能分析

特高压变压器是变电站内重要的电气设施,进行变压器抗震计算时一般把地基基础考虑为绝对刚性,忽略了土体的影响。本文研究基于有限元数值仿真建立了土体-变压器的抗震分析模型,该模型考虑了土体在地震载荷下的非线性力学行为,并研究了变压器刚度及阻尼比变化对变压器抗震性能的影响。结果表明:数值模型与试验结果的频率误差在10%以内;在土体非线性力学行为影响下,随着地震峰值加速度的增加,特高压变压器的地震响应呈现出非线性增加的趋势;在0.2 g、0.4 g、0.8 g(g为重力加速度)地震激励下高压套管应力与试验误差分别为3.3%、2.6%、5.6%,说明了仿真分析力学模型的有效性。随着变压器刚度的增加,作为变压器薄弱环节的高压套管应力减小;阻尼比增加,设备的地震响应先增加后减小。研究成果可为特高压变压的抗震设计提供指导。

基于子结构试验的土-结相互作用实现研究

传统的土-结相互作用试验由于加载系统的出力和尺寸限制,目前只能进行大比例缩尺试验,且对于大跨空间结构、桥梁等长大型结构考虑土-结相互作用的地震作用性能,目前的试验设备也存在局限。而实时动力子结构试验方法将试验对象不可建模部分在实验室进行物理试验,剩余部分作为数值模型进行建模,二者保证同步可对整体试验对象性能进行模拟,克服了传统土-结相互作用试验研究的不足。该文应用动力子结构试验方法,对土-结相互作用问题进行了研究,建立了整体试验模型及混合动力子结构试验模型,并通过试验进行了验证。利用该文发展的子结构试验技术,分别对多跨连续刚构桥梁和钢筋混凝土高墩大跨度刚构桥梁考虑土-结相互作用抗震性能进行了试验研究,试验结果表明该方法存在一定应用价值。

基于显-隐式格式的三维时域土-结相互作用分析的异步并行算法

提出了一种分析三维时域土-结构动力相互作用的并行计算方法.该方法利用显式和隐式积分格式各自的优点,采用集中质量显式有限元和黏弹性人工边界模拟无限域地基,采用隐式积分格式有限元法计算上部结构的响应,两者可采用不同的时间步距.在此基础上,采用MPI通信协议,提出了土-结构系统中土体区域的并行计算方法,以及土体区域与结构间的异步并行计算方法,并通过自编的Fortran源程序实现了地震作用下土-结相互作用分析的并行计算.以某一核电结构模型为例,分别采用串行算法和并行算法分析了土-核电结构体系在SV波输入下的反应,验证了本文并行算法的可行性和高效性.

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。

桩-土-结构动力相互作用的非线性地震反应分析

用ANSYS软件作为桩-土-结动力相互作用分析的工具,建立了中震及大震下钢筋混凝土剪切型结构考虑桩-土-结动力相互作用效应的非线性模型,进行了中震及大震下桩-土-结相互作用体系的非线性地震反应时程分析,研究了土-结动力相互作用效应对结构地震反应的影响。结果表明地震动作用过程中,桩与土体之间交替地处于接触、滑移和脱离状态,对结构的地震反应有一定的影响。

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。

土-桩基-钢结构振动台试验数值模拟分析

采用与商用有限元软件ANSYS对比验证后计算更为高效的土-结相互作用分区分析方法(PASSI,Partitioned Analysis of Soil-Structure Interaction),对土-桩基-钢结构模型的振动台试验进行了考虑土体材料非线性的数值模拟,对比分析了振动台试验结果与数值模拟结果,并进行了相应的分析与总结。输入三种调幅(0.05g, 0.10g以及0.20g)下的RG160,Chichi与Landers地震波,对比分析了振动台试验与数值模拟试验所得土体与结构加速度放大系数、桩身应变以及桩身弯矩,结果表明:该数值模拟方法定性上准确地反映了振动台试验中的试验结果,可为土-桩基-钢结构的抗震设计提供参考依据,但由于数值模拟中未考虑试验中存在的桩土接触非线性以及桩基破坏等问题,试验结果在定量上仍存在一定的差异。

利用ARX模型识别土-结构体系的低阶模态频率和阻尼

利用美国Alaska一14层的办公大楼及周围场地上记录到的地震动,对此结构进行了低阶模态频率和阻尼的识别,和考虑土-结构动力相互作用后的土-结体系的低阶模态的频率和阻尼的识别。提供了一种ARX参数模型辨识方法,并与非参数模型辨识比较分析,发现两种模型得到的低阶模态频率和阻尼基本一致,但在高阶模态上会出现明显的差异。通过分析还发现考虑土-结相互作用后,体系的传递函数幅值有所降低。并编制了相应的Matlab计算程序。

地下水位对核电结构地震反应的影响分析

核电结构大多沿海或沿江、河而建,在地下水位以下,土体孔隙中的流体对土层的地震响应有较大影响,进而影响核电结构的响应。本文采用饱和多孔介质模型,考虑土-结相互作用效应,分析地下水位对核电结构地震反应的影响。通过传递矩阵方法,得到干土-饱和土水平成层场地的自由场,并结合透射人工边界,实现土-结相互作用分析的波动输入;采用土-结相互作用的分区并行计算方法,实现饱和土和结构相互作用分析。其中,含地下水位的场地土体采用广义饱和多孔介质模型描述,通过自编FORTRAN程序用集中质量显式有限元结合透射人工边界进行模拟,结构通过ANSYS中的隐式有限元进行分析。以某一核电结构为例,分析了0,−10,−20,−30,−40 m不同地下水位的五种场地上,土-基础-核电结构体系的动力响应。结果表明,地下水位对基础和结构的位移影响不大,对加速度的影响较大。

近场地震动作用下山地隔震框架结构抗震性能

研究目的:近断层地震动具有明显的长周期高能量的速度脉冲,对隔震结构可能造成严重的破坏,我国大部分山地地区处于地震多发带,对于修筑其上的隔震建筑结构来说,对其抗震性能的研究显得尤为重要。本文通过筛选来自台湾集集地震的不同特性的近断层地震波,并对不同特性的近断层波进行频谱分析,引入多次透射边界以模拟场地的无限性,分别考察上盘效应、脉冲效应、向前方向效应以及滑冲切效应对山区多层接地基础隔震框架结构动力响应的影响。研究结论:(1)未调幅的上盘地震动作用下结构的地震响应大于下盘,调幅后却下盘大于上盘;(2)在含滑冲切效应脉冲、含向前方向性效应脉冲、无速度脉冲地震动作用下,结构的地震响应的大小关系为:含滑冲切效应脉冲>含向前方向性效应脉冲>无速度脉冲;(3)向前方向效应地震动断层法向分量作用下结构的响应明显大于断层平行分量地震动;(4)本文给出了近断层地震动特性对多层接地隔震框架结构地震反应影响的规律,对近震区山地隔震框架结构的设计具有一定参考意义。

近场地震作用下近海单桩风机动力响应分析

基于FAST v7开发地震分析和土-结相互作用(soil structure interaction, SSI)模块,形成气动-水动-地震-伺服-土结耦合仿真平台FAST-S,并采用Seismic和ABAQUS验证地震分析模块的计算精度和可靠性。通过扩展的FAST-S平台,建立考虑SSI效应的5 MW近海单桩风机模型,分析风、波浪和地震之间的耦合效应以及研究近场地震动速度脉冲对停机和运行状态下风机支撑结构动力响应的影响。结果表明:地震加剧了塔顶振动,风浪荷载对减轻地震诱发的塔顶振动有一定作用;气动载荷、水动载荷和地震载荷之间存在非线性耦合关系,计算时应充分考虑风-浪-地震耦合效应;近场地震速度脉冲会增大停机和运行状态下风机的塔顶位移、塔顶加速度和泥线处弯矩,结构设计时应注意脉冲型地震动对结构产生的不利影响,特别是停机状态下风机的结构安全。

隧道开挖影响下地层-基础体系的接触力学响应分析

针对隧道正交下穿既有结构施工力学响应的预测问题,建立了考虑多体接触作用的隧道施工扰动下地层-基础体系力学响应解析预测方法.该方法将地层视为均匀各向同性的线弹性体,通过引入接触理论考虑地层与基础间的接触作用,并提出"隧道开挖与基础作用换序求解"的新解析思路,确定了最终状态接触压力,解决了隧道开挖及多体接触耦合作用下接触压力难以确定的问题,进而依据弹性力学解的叠加性获得目标问题的解析解答.通过对比该解析解与ABAQUS数值解,发现两者吻合良好.基于本方法开展参数分析,研究了地层参数、隧道埋深、隧道边界径向位移以及外荷载集度对地表竖向附加位移、接触压力和基础内力分布的影响规律.结果表明:本方法可准确预测地层-基础体系的接触力学响应,实现了地层与基础间接触力学行为的量化描述;地层杨氏模量和泊松比对地层-基础体系力学响应的影响分别侧重于变形和受力,而隧道埋深和隧道边界径向位移变化对受力变形均有较大影响;地层位移受隧道开挖扰动与多体接触效应的耦合作用,且接触影响范围局限在接触区域附近;隧道开挖使接触压力产生"中间释放、端部集中"的重分布现象,并由此造成基础内力的大幅增长.当开挖扰动剧烈时,甚至产生竖向位移不连续的脱空接触现象.研究成果对城市浅埋隧道施工影响下地层-基础体系力学响应预测具有重要的理论意义和应用价值.

土动力学与岩土地震工程研究进展

指出了土动力学与岩土地震工程领域课题的特点与研究方法,并从土的动力特性与本构理论、动荷载作用下饱和土的液化、岩土体的地震变形与稳定性分析、土与结构动力相互作用、数值分析方法、物理模型试验与技术6个方面评述了国内外研究进展与发展趋势,建议了应着重研究的学科前沿与关键科学问题,希望能对今后的科研工作有一定的启迪作用。