考虑土-结构相互作用永祚寺文峰塔地震响应分析

为研究土-结构相互作用对古塔地震响应的影响,借助ABAQUS有限元软件通过对地基土施加黏弹性边界,建立了不考虑土-结构相互作用(soil-structure interaction, SSI)效应、SSI效应下不考虑基础与地基土分离滑移与SSI效应下考虑分离滑移三种模型,通过时程分析法对比分析了SSI效应对山西省永祚寺文峰塔动力特性与破坏形态及损伤的影响。结果表明:考虑SSI效应后古塔高阶自振频率显著降低,其水平位移与层间位移角将总体增大,水平加速度放大系数呈下降趋势,塔下层损伤明显加剧且上层损伤有所降低,基础损伤明显;在设防地震作用下基础与地基土分离滑移现象加剧,有将沿中和轴破坏的风险,底层塔檐为薄弱部分,且基础的损伤不容忽视。分析结果对于预测高层密檐塔损伤破坏具有参考作用。

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。

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。

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。

土体非线性对土-结构动力相互作用的影响——以Millikan图书馆为例

文中采用有限元-间接边界元(FEM-IBEM)耦合法,研究土体非线性对土-结构动力相互作用(SSI)的影响。二维模型中,远场土体采用间接边界元法(IBEM)模拟,近场土体采用有限元法(FEM)模拟;采用等效线性模型考虑土体非线性。以著名的Millikan图书馆为例计算表明,土体非线性对SSI有明显影响。考虑土体非线性后,结构基底剪力、层间位移角以及系统频率均明显降低,而且地震波幅值越大,或土体非线性越强,非线性动力响应的降低程度越大。研究对于定量评估土体非线性对SSI的影响具有一定的参考价值。

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。

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。

考虑土一结构动力相互作用后水平地震作用折减问题的研究

简述了国内外有关土一结构动力相互作用问题的研究概况，对国内外抗震设计规范中有关 土一结构动力相互作用的条文进行了分析，指出了我国＜＜８９规范》第４．２．６条考虑土一结构动力相互作用 中存在的问题；结合作者的研究成果和规范修订工作，重点讨论了考虑土一结构动力相互作用条件下 水平地震作用折减系数的计算问题。

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。

土-结构相互作用对结构碰撞的影响分析

采用弹性半空间假定,推导了考虑土-结构相互作用体系的地震响应方程;选取合适的碰撞模型,推导出每个时程下的碰撞力,建立结构碰撞响应方程;地震激励和碰撞激励共同作用下,采用优化的Newmarkβ法利用MATLAB编程得出实际的碰撞时程曲线。研究表明:考虑土-结构相互作用可以降低结构的碰撞响应;采用轻质材料或其他措施调整两结构间的碰撞刚度,使其与结构的振动性能相匹配,可有效降低碰撞对结构的影响。

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。

考虑土-结构作用的层间隔震结构三维地震响应

实际地震具有多维性,只考虑水平向往往不够真实全面,且在考虑土-结构相互作用(soil-structure interaction,SSI)中更为复杂,缺少相关的研究分析。建立层间隔震结构模型,利用点弹簧模拟土体参数实现SSI效应,进行三维地震动下动力弹塑性分析。研究三维地震激励下,考虑SSI前后的层间隔震结构的地震响应,通过改变土体性质,探讨了考虑SSI对结构的影响规律。针对三维地震动,设置了三维隔震支座,并与传统水平隔震支座结构进行了地震响应分析对比。结果表明:三维地震下,考虑SSI层间隔震结构地震响应增大,周期有所延长,层间位移角增大,结构损伤加重;采用三维隔震支座后,考虑SSI层间隔震结构的层间位移角和基底剪力均明显减小,结构的损伤程度减轻,三维隔震支座减震性能更优。

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。

橡胶支座-地铁车站减震结构的动力响应及关键设计参数研究

基于地下结构布设隔震支座可有效控制结构地震反应,以某实际两层两跨地铁车站为研究对象,建立了橡胶支座布设于地铁车站结构的三维全时程动力分析模型,探讨了橡胶支座关键设计参数-水平刚度比对多层地铁车站减震结构地震响应的影响,并进一步分析了在最佳水平刚度比条件下减震结构的动力响应。研究结果表明:(1)中柱布设橡胶支座后,中柱内力及位移均有不同程度的减小,表现出良好的减震效果;(2)水平刚度比的变化对减震结构中柱的动力响应结果影响显著,对结构侧墙的动力响应结果影响较小,且水平刚度比会对中板的变形模式产生影响,综合考量,建议最佳水平刚度比的范围为0.06~0.08;(3)在最优水平刚度比条件下,结构中柱位移减震率最高可达85%,且中柱及侧墙始终处于安全工作状态,达到了破坏模式可控的效果。

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。

考虑SSI效应储油罐的子结构实验方法与数值模拟

提出了应用振动台子结构试验方法来研究考虑土-结构相互作用(SSI)效应储罐的抗震性能,该方法将土体简化为双自由度八参量集总参数模型进行模拟,储罐作为试验子结构应用振动台加载,两部分联机完成振动台子结构试验。该方法能完成大比例尺储罐试验,具有传统试验方法难以比拟的优势。然后,通过数值模拟分析了SSI效应对储罐动力响应的影响。分别研究了不同储液高度和不同地基刚度对储罐位移和加速度响应的影响。研究结果表明:考虑SSI效应时,罐体位移响应和加速度响应均有所减小,土质越软,效果越明显;随着储液高度的增高,位移、加速度反应呈现减小趋势。