基于集中质量体系的侧向自由场边界

以土-结构动力相互作用模型的侧向人工边界为研究对象,从理论上对非对称矩阵和对称矩阵形式下的自由场边界进行分析,将集中质量体系和黏性元件或黏弹性元件组合在一起,形成集中质量自由场边界.然后设置典型算例,采用有限元软件ABAQUS,把剪切波从底部垂直入射,对均匀场地、分层场地和含地下结构场地下集中质量自由场有效性进行验证.最后设置不同土体阻尼比和不同结构宽高比情况,对集中质量自由场边界与黏弹性边界和滚轴边界的精度进行对比.结果表明,同等情况下在工程应用中集中质量自由场边界的精度合理,且操作简便.

颗粒离散单元法动力人工边界设置方法

采用颗粒离散单元法进行动力计算时,人工截断边界上需设置吸收边界条件,以防止波的反射。鉴于颗粒离散单元数值计算模型的人工边界上颗粒单元半径大小不一、边界面凸凹不平,在连续介质的黏性、黏弹性、自由场边界条件方程基础之上,推导出适用于离散介质的等效方程。在离散介质的黏性边界条件等效方程中引入微调系数,提出比值迭代法以快速确定其最优值,以实现对波的最佳吸收。采用二维颗粒离散单元计算软件PFC2D,分别建立黏性、黏弹性、自由场边界条件相关数值分析模型,探讨颗粒分布模式对黏性边界上颗粒单元半径、速度分布及比值迭代过程的影响;采用外源波动算例及经典Lamb问题算例验证黏弹性边界设置方法的正确性;通过隧洞算例检验提出的自由场边界条件设置方法的正确性。

外源波动问题数值模拟的一种实现方式

将人工边界上的波动场分解为无局部场地效应影响的自由场与局部场地效应引起的散射场两部分,无限域地基中的波动传播对人工边界的影响通过将位移场、速度场转化为应力场施加到人工边界节点上来反映,其中散射波场的模拟采用了杜修力等提出的一种远场近似解。在此基础上,利用通用有限元软件实现了斜入射条件下瞬态平面地震波作用引起的局部场地效应的时域数值模拟,为计算二维、三维局部不规则、非均匀场地的地震局部场地效应以及土结动力相互作用等外源波动问题提供了一种有效、实用的实现方式。建议方法的优点是可直接借助通用有限元软件强大的求解器和前后处理功能来计算和分析近场波动反应,且实现简便。实际上,由于通用有限元软件强大的求解功能,可方便地用于局部场地存在不均匀、非线性的情况。

三层地铁车站振动台试验的数值模拟

进行了三层地铁车站大型振动台试验,获得了可靠的试验数据。通过室内实验获取了模型材料和土体材料的力学参数。基于ABAQUS有限元计算平台,建立了振动台试验的二维有限元模型,处理了混凝土本构模型及其参数的选取、土体本构模型及其参数的选取、阻尼设置、边界条件设置等问题。对多种工况下的试验结果和模拟结果进行了对比分析。结果表明,按照本文建议的建模方法,可以很好地重现振动台试验,数值模拟结果无论在趋势上还是数值上都和试验结果符合得很好。

开挖及动荷载作用下边坡响应的DDA方法研究

对适用于分析边坡在开挖及动荷载作用下的响应情况的不连续变形分析(DDA)方法进行研究。首先,利用基于生死单元的DDA方法模拟边坡的开挖过程,并分析边坡的开挖变形,通过与有限元法计算结果对比,证明该方法的正确性;其次,为克服传统的DDA方法不考虑介质中产生的散射波在边界的反射问题,实现基于黏性边界理论的地震波输入方法;此外,在DDA方法中引入自由场边界,通过实例分析表明在利用DDA方法进行动力分析时,模型两侧施加自由场边界的模拟效果要优于两侧施加黏性边界的模拟效果。将改进的DDA方法运用于边坡工程的动力响应分析,通过与经典有限元法的对比,证明了改进DDA方法的正确性。

垮塌区隐患资源爆破开挖变形响应的DDA法

针对地下金属矿山垮塌区隐患资源开采的安全问题,应用非连续变形分析法(DDA)研究垮塌区隐患资源在爆破动荷载作用下的变形响应.通过势能极小化原理和平面应变假设探讨DDA法的计算过程,在DDA模型中引入自由场边界和设置边界单元体的法向与切向自由阻尼器来模拟垮塌区边缘采场的爆破开挖,讨论了注浆加固后的垮塌区滑移面附近区域在爆破动荷载作用下的变形特征.研究结果表明:DDA模型中的输入波表现出明显的滞后性,根据输入波的滞后性计算波的传播速度与现场实测结果非常接近;爆破开挖后垮塌区滑移线下部区域的变形明显小于上部区域,与实际开挖后现场的监测结果相符合;距离爆源越远的监测点,速度放大系数越大,在DDA法中引入自由场边界和边界单元的自由阻尼器来研究垮塌区边缘采场在爆破动荷载作用下的变形响应是可靠的.

DDA方法中的人工边界问题研究

数值分析中的人工边界可能会引入虚假的反射波,不可避免地影响求解,针对非连续变形分析(DDA)方法中的人工边界问题,首先,基于Newmark法推导黏性边界、黏弹性边界对DDA方程组的贡献;其次,为更好地解决地震等外源入射问题,在DDA中引入了自由场边界;最后,为保证静、动力分析过程转换时边界的一致性,在DDA中实现静动力统一边界。利用改进后的DDA程序进行算例分析,结果表明:各人工边界理论在DDA程序实施正确;黏性边界能高效地吸收人工边界处的反射波,黏弹性边界可以反映介质的弹性恢复能力;与黏性边界相比,两侧施加自由场边界模拟无限域运动可以减少边界的影响;引入统一人工边界的DDA可以完整地模拟静、动力计算全过程。

波动数值模拟中的吸收边界条件

为了提高人工边界条件在波动输入边界和自由场边界的精度,该文扩展了Higdon一阶吸收边界条件,并编制了相应的有限元计算程序。该方法将输入波分量引入到Higdon吸收边界条件当中,利用最小二乘法,用吸收边界邻域内的应变场和速度场计算Higdon边界条件公式中的参数,实现了吸收边界条件的自动更新。并且,该文提出了既适用于波动输入边界又适用于自由场边界的速度边界和力边界两种吸收边界条件。算例表明,与传统人工边界条件相比,该文建议的吸收边界条件具有良好的模拟效果。