地震波斜入射下水平成层覆盖层地基波动输入研究

覆盖层具有土体动力非线性和结构成层特征,地震波斜入射下覆盖层地基自由场计算难度增大、人工边界吸能能力受到限制,制约了地震波动输入精度和应用。以水平成层覆盖层为研究对象,引入势函数理论,构建了地震波斜入射下顶层幅值矩阵与任意层幅值矩阵之间的动态传递关系,获得土体时域应变;基于二维应变状态理论,采用等效线性化法反映土体动力非线性,建立了地震波斜入射下非线性水平成层覆盖层地基自由场解析计算方法。利用作者发展的非线性黏弹性人工边界单元模拟远域辐射阻尼效应,近场波动分析中边界单元参数随内层土体单元动剪应变变化,边界单元吸能能力达到最优。结合解析自由场转换得到的等效输入荷载,建立了适用于地震波斜入射下非线性水平成层覆盖层地基地震波动输入方法。该方法能够依据深部斜入射波和地表地震动实现覆盖层地基波动输入,依据地表地震动实现波动输入是避免了通过基底地震动正演自由场等过程。研究了弹性水平双层和非线性水平多层覆盖层地基地震响应,结果表明,波动输入计算获得位移和应力均与解析解有较高拟合度,计算精度高,可为水平成层覆盖层地基上土石坝地震响应研究提供基础。

非一致地震波动输入下大型钢筋混凝土框架结构-地基体系地震响应规律

为探索非一致地震波动输入对大型钢筋混凝土框架结构地震响应的影响,基于OpenSees软件平台建立二维钢筋混凝土框架结构-地基动力相互作用有限元模型。将El-Centro地震波按P波波形分别以0°、15°、30°和35°角入射该有限元模型进行计算,对比分析框架柱内力和楼层层间位移的地震响应。研究发现非一致地震波输入方法对于大型钢筋混凝土框架结构建筑动力响应影响明显,随着地震波入射角的增大,钢筋混凝土框架结构底层柱的轴力幅值减小,剪力幅值增大,而弯矩幅值变化较小,楼层层间位移幅值也随之增大。研究结果对于大型钢筋混凝土框架结构抗震设计具有参考意义。

地震波动输入方法对高土石坝地震反应影响研究

将地震波动输入方法引入高土石坝地震反应分析程序,讨论了该方法在坝体与地基之间相互作用及无限地基辐射阻尼的模拟效果.为探讨地震波动输入方法对高土石坝地震反应的影响,从地震波频谱特性、坝体高度和地基模量三个方面开展了研究工作.分析结果表明:与传统的一致输入方法相比,地震波动输入方法可以考虑无限地基辐射阻尼的影响,并合理地反映出坝体与地基之间相互作用的变化规律;当高频含量较多的地震波作用时,传统一致输入模型与所提出地震波动输入模型的数值结果差异相对较大;两类模型数值结果的差异区域会随坝体高度的增加逐渐增大;地震波动输入方法可以较好地反映出地基模量变化对坝体与地基之间相互作用的影响.

土–结构动力相互作用分析中基于人工边界子结构的地震波动输入方法

数值模拟是解决土–结构动力相互作用问题的重要手段,而合理地实现地震波动输入直接影响地震作用下土–结构动力相互作用问题数值模拟的精度.波动法是目前常用的地震动输入方法之一,该方法将输入地震动转化为人工边界上的等效载荷,相较于其他地震动输入方法,波动法模拟精度高,但实施上相对复杂.从有限元模型入手,推导了采用波动法确定等效输入地震载荷的另一种形式,以此为基础,提出了一种在人工边界上实现地震动输入的新方法.新方法通过对土–结构有限元模型中由包含人工边界节点的单元组成的子结构施加自由场位移时程并进行动力分析,直接获得可实现地震波动有效输入的等效载荷,然后将等效输入地震载荷施加在土–结构模型的人工边界节点上,从而完成土–结构动力相互作用问题分析中地震动输入和地震反应计算.与原有波动法相比,新方法避免了需分别计算人工边界上自由场应力和由引入人工边界条件带来的附加力,以及需要根据不同人工边界面确定载荷的作用方向等较为复杂的处理过程,具有等效地震载荷计算简便、地震动输入过程更易于实施的特点.采用竖直入射和斜入射地震波动作用下的弹性半空间和成层半空间地震反应算例验证了新方法的有效性.

三维黏弹性人工边界地震波动输入方法研究

对三维黏弹性人工边界给出了一种实用的地震波动输入方法。用等效边界力法进行地震波动输入时,把入射地震波假设为竖直向上入射的平面波,使施加在人工边界上的总荷载可以由输入波位移和速度的关系式完全表达,使地震动输入更容易在有限元计算程序中实现。解决了三维黏弹性人工边界采用球面波进行地震波动输入会出现尚待确定的未知项,不易实现地震波动的输入的困难。数值算例表明,该地震波动输入方法是十分有效的。

覆盖层上土石坝非线性动力响应分析的地震波动输入方法

较多已建和待建的土石坝直接修筑于覆盖层上,合理描述土石坝与覆盖层之间的动力相互作用对大坝抗震安全评价至关重要。基于等效荷载和人工边界的地震波动输入方法能较好地反映出结构-地基之间的相互作用并得到了广泛应用。等效荷载和人工边界参数在均质线弹性地基条件下易于获得,而对于覆盖层地基,土体动力非线性特性给求解带来很大困难。鉴于此,首先根据覆盖层侧向边界的位移模式,发展了能高效、精确地获取多向地震动垂直入射时均质或成层覆盖层自由场非线性动力响应的简化模型;结合能动态实时获取地基材料参数的非线性人工边界,发展了一套覆盖层上土石坝非线性动力响应分析的地震波动输入方法。算例表明,发展的地震波动输入方法可大大减小计算网格量,并能较好地反映覆盖层对地震动频谱特性的影响且具有较高的精度。

大型结构地震反应值模拟中的波动输入

解耦的时域有限元数值模拟技术在考虑土－结构相互作用的大型结构地震反应分析中的应用日趋成熟。为完善其中的波动输入技术，本文提出了一种波动输入时步数值模拟的简便方法，替换对自由场的频域计算，从而使结构反应分析可以完全通过时步数值模拟实现。同时，通过数值试验，对这一实施方案的有效性进行了检验。

成层地基非线性波动问题人工边界与波动输入研究

建立了考虑非线性效应的无限成层地基波动模拟的时域人工边界条件及相应的波动输入方法。首先,推导了线性阻尼介质中的一维人工边界公式,进而推广得到近似的二维人工边界方程;然后,通过等效线性化处理,获得了近似考虑远场成层地基非线性效应的人工边界;最后,建立了相应的波动输入方法。数值算例表明,所给出的人工边界与波动输入方法具有良好的精度,可以方便地应用于成层地基非线性波动问题的研究。

土-结构动力相互作用分析中基于内部子结构的地震波动输入方法

合理有效的地震波动输入是进行土-结构动力相互作用分析的关键环节,文章基于波动法理论,提出一种新的基于内部子结构的地震波动输入方法。新方法中等效输入地震荷载由计算模型内部截取的子结构的动力分析直接获得,从而使地震波的外源输入问题转化为内源波动问题。与波动法和基于人工边界子结构的地震波动输入方法相比,内部子结构法有效提高等效输入地震荷载求解和地震波动输入的效率;同时在地震波动输入的过程中避免人工边界的参与,从而彻底摆脱以往地震波动输入方法对于人工边界条件的限制,因此该方法更具普适性。文章详细介绍了基于内部子结构的地震波动输入方法在土-结构动力反应分析中的实现方法,并通过地震波斜入射下的自由场算例与土-结构动力相互作用算例,验证新方法的有效性。

等效黏性边界单元及黏性边界波动输入方法

为更好的利用大型通用软件进行结构-地基动力相互作用分析,本文在黏性边界的基础上提出黏性边界单元的概念,通过构造相同阻尼矩阵的方式提出了能够实现黏性边界功效的特殊有限单元-等效黏性边界单元。等效黏性边界单元能够较好的模拟地基的辐射阻尼效应,使黏性边界的实现更加方便。同时,为简化大型通用软件中地震波的输入,提出了适合于黏性边界条件下水平成层地基中垂直入射地震波的输入方法。该方法不需要借助其它辅助计算就可直接在各种大型通用有限元软件中用一个数值模型实现地震波动输入,具有很强的通用性。此输入方法极大的减少了地震波动输入的数据准备工作,降低了操作的复杂程度。数值算例表明,等效黏性边界单元及文中提出的地震波动输入是简单可靠的。

波动输入方法及其在水闸工程中的应用

目前在对软土地基上的闸涵类水工结构进行动力分析时大多采用无质量地基模型,针对其无法有效考虑地基辐射阻尼效应这一问题,基于ADINA软件平台和动力黏弹性边界理论,成功实现了弹簧阻尼元件在模型截断边界的施加与外源波动在边界的正确输入。同时,将上述方法应用到基于国内某水闸闸室-水体-地基系统的地震动反应分析当中,并与传统无质量地基模型的计算结果进行对比。计算结果表明,考虑地基辐射阻尼后闸室主体结构的地震动响应有所减小,且该方法在计算中具有较好的精度和稳定性。

成层场地地震波动输入模式研究

当前应用时域方法分析水工结构-地基动力相互作用分析是研究热点,但成层场地条件下地震波动输入模式研究较少。通过研究地震波在成层场地波动传播规律,推导了SH波在层间分界面处发生反射和透射的系数公式,之后将其应用于粘弹性人工边界模型改进了传统等效荷载输入模式。改进后的波动输入模式考虑了各层间波动传播速度的不同及层间分界面处波动振幅和相位改变,从而解决了传统等效荷载输入模式求解成层地基时两侧与内部节点波动传播不一致的问题。算例表明该方法具有良好的精度和稳定性,同时结果表明相同的底部波动输入成层自由场表面振动幅值大于均质自由场。

黏弹性人工边界地震波动输入方法综述

本文以黏弹性人工边界为例,总结了黏弹性人工边界地震波动输入的几种主要方法。分析了各种黏弹性边界地震波动输入方法的优缺点,讨论它们之间的相互联系,对它们的精度和适用性进行了对比,并阐述了黏弹性人工边界地震波动输入研究的发展方向。

非一致波动输入下大开地铁车站—地基整体模型动力响应规律

为了研究大开地铁车站在非一致波动输入下的动力响应规律,采用黏弹性人工边界单元模拟远场地基无限域,基于ABAQUS有限元软件平台建立二维地铁车站结构-地基动力相互作用数值模型.采用自由波场一维化时域求解方法,利用Matlab编程将脉冲波按SV波形分别以0°、15°和30°转化为非一致等效节点荷载,并导入到ABAQUS软件中,开展大开车站动力时程分析.计算分析表明:随着入射角的增大,地铁车站中柱柱脚和右侧顶板中部截面的轴力、剪力和弯矩幅值变小,且当入射角为30°时,各内力幅值衰减幅度最大;随着入射角的增大,车站中柱柱顶与柱脚之间的相对位移和车站顶板中部的水平位移响应变小,且位移幅值随之衰减.

近场波动对钢筋混凝土框架结构地震响应的影响

采用一维化时域方法将地震波动转化为等效节点荷载,通过三维黏弹性人工边界单元模拟远场地基辐射阻尼,建立基于刚性地基假定和考虑近场波动的三维钢筋混凝土框架结构有限元模型,对比内力和位移动力时程响应。研究表明:考虑近场波动使钢筋混凝土框架结构自振周期变长;与刚性地基假定相比,在观测点处,梁端弯矩幅值增大,轴力幅值减小,剪力幅值改变;柱端弯矩幅值减小,轴力幅值增大,剪力幅值也存在差异;顶点位移和层间位移均衰减。

近场数值波动分析中地震波输入的一种简化方法

在显式有限元方法结合黏弹性人工边界的时域波动方法的基础上,建立了地震波垂直输入时的一种简化输入方法。将近场有限元模型沿高度方向进行分层,将地震动的入射运动转化为作用于人工边界底面及分层后每层侧面上的均布力,以实现地震动的输入。与以等效节点力的方式实现的地震动输入相比,施加均布力的方式简化了地震波输入的前处理工作,且又能保证与等效节点力方式相同的精度。自由场数值算例表明:当该方法中的分层高度与波动有限元网格离散要求的最大尺寸相等时,该方法与等效节点力方法具有相同的精度;当局部区域按网格离散要求的最大尺寸进行分层而在其它区域放大分层高度时,局部区域上的近场波动响应仍可保证具有相当高的精度。另外,某隧道结构地震响应算例的计算结果同样说明了该方法的有效性。

基于波动低压输入的独立光伏逆变器的设计

针对独立光伏逆变器输入电压较低且波动的问题,提出一种采用双闭环控制策略且抗输入电压扰动的光伏逆变器系统。在阐述其工作原理基础上,对光伏逆变器主要部件进行建模,得到总体数学模型,并举例设计了输入电压为24V、输出为311V、输出频率为50Hz、输出功率为6kW的光伏逆变器。设计中采用极点配置进行控制器参数计算,定量描述了输入电压波动对逆变器跟踪误差的影响。仿真结果表明,设计的逆变器具有稳定性好、抗扰动性强和稳态误差低等特点,其电压变化率为0.03%,输出电压总谐波失真(THD)为1.03%,最高单次谐波含量小于3%,可以满足性能指标要求。所建模型和设计方法具有一定通用性和理论指导意义,可用于特殊光伏发电领域中大功率光伏逆变器的研究与设计。

考虑输入速度波动的连杆机构平衡

提出了一种在考虑输入速度波动情况下进行机构平衡的数值－优化方法。数值算例表明，这种新方法的平衡效果比现行的在匀速输入假定下进行机构优化平衡的效果好。

输入轴速度波动对凸轮机构压力角的影响

凸轮机构的压力角是凸轮机构设计的一个重要参数,决定了凸轮大小和机构强度等诸参数,同时压力角又受其他设计参数尤其是从动件运动规律曲线的影响。在高速凸轮机构中,输入轴速度波动影响从动件的输出响应,文中建立了考虑输入轴速度波动的等效单自由度高速凸轮机构的动力学模型,在此基础上,讨论了输入轴速度波动对凸轮机构压力角的影响。

考虑输入轴角速度波动时凸轮机构动力学研究

建立了考虑输入轴速度波动的等效单自由度高速凸轮机构的动力学模型,分别推导了力封闭凸轮机构、形封闭凸轮机构在考虑输入轴速度波动时的的动力函数和凸轮轴转矩,并绘制出动力曲线和凸轮轴输入转矩图,在此基础上,对力封闭凸轮和形封闭凸轮的动力学特性进行了分析比较,从而为高速凸轮机构的合理设计提供了一定的理论依据。