基于土体等效线性黏弹性模型的地下综合管廊地震响应

以大连旅顺新区地下综合管廊工程为研究背景,利用ABAUQS有限元软件,建立了三维有限元模型,土体与管廊结构采用了三维实体全积分单元,采用等效线性黏弹性模型来模拟土体的动力非线性特性、线弹性模型模拟管廊结构。数值模拟考虑了土-结构相互作用,模型四周及底边设置黏弹性边界,地震动以等效节点力的形式输入,研究管廊在Kobe地震波四种不同地震动强度水平向(X向)作用下的结构响应,研究表明:①震中及震后管廊的应力、位移、相对位移都随地震动强度的增大而增大,在地震过程中,管廊的应力、位移最大值在0.05 g时为1.545 MPa、0.03495 m,0.10 g时为3.061 MPa、0.06857 m,0.15 g时为4.599 MPa、0.10323 m,0.20 g时增加到5.572 MPa、0.13545 m。②震中及震后管廊的应力比、位移比说明了土体在大震中发生了更大的不可恢复的变形,也说明了管廊等地下结构的地震破坏主要是由土体变形引起。③管廊中隔墙上端部、下端部为管廊的抗震薄弱位置,在进行管廊抗震设计时,应采取有效措施提高这些部位的抗震性能。

沥青混合料永久变形黏弹性力学模型通用性研究

为了拓展沥青混合料永久变形黏弹性力学模型的适用宽度,满足不同温度区间和应力水平的要求,实现在全温域条件下沥青混合料永久变形预估,对6种典型沥青混合料进行了三轴重复荷载蠕变试验,研究不同温度和不同应力水平下的永久变形规律;构建了考虑行车荷载存在间隙期的重复荷载作用下沥青混合料黏弹性力学模型;建立了温度、偏应力与重复荷载作用下沥青混合料黏弹性力学模型参数关系方程并进行了修正。研究结果表明:沥青混合料在低温、中温、高温不同阶段表现出不同的永久变形特性,从全温域角度考虑沥青混合料永久变形发展规律更加符合实际状况;温度、轴载大小和荷载作用次数对沥青混合料的永久变形均有着较大的影响,且三者存在着等效关系;重复荷载作用下沥青混合料永久变形黏弹性力学模型参数拟合及参数与温度、偏应力的关系方程拟合的效果良好,均大于90%以上,提高了沥青混合料永久变形黏弹性力学模型的通用性。同时,确定了不同温度的平均修正系数,使永久应变计算结果更加准确。

位移放大型黏弹性减震系统力学模型与地震响应分析

针对消能减震结构在层间位移较小时耗能效率欠佳的问题,提出了一种可将结构层间位移放大的黏弹性阻尼器,并建立了位移放大型阻尼系统的力学模型,完成了位移放大2.5倍的黏弹性阻尼器和普通黏弹阻尼器的力学性能对比试验,最后通过算例分析探讨了不同减震结构的地震响应。所提出的力学模型与试验结果吻合。位移放大型阻尼器的出力和耗能相比普通阻尼器被有效地放大。多遇地震下,附加位移放大型黏弹性阻尼器减震结构的附加阻尼比显著提升,阻尼耗能是普通减震结构的1.98倍。

土体动非线性黏弹性模型及其ABAQUS软件的实现

基于土的动应力-应变关系——Davidenkov骨架曲线,采用破坏剪应变幅上限值作为分界点,对Davidenkov骨架曲线进行了修正,即当剪应力值大于破坏剪应力值时,土体产生破坏,土体的动剪切模量采用破坏后的动剪切模量;参考Mashing法则,构造了修正后的Davidenkov骨架曲线土体加卸载对应的应力-应变滞回圈曲线。基于ABAQUS软件的操作平台,开发了土体动弹塑性本构模型的子程序。选择南京某个典型软弱场地为研究对象,首先输入余弦加速度时程曲线,然后选取一条强震加速度记录作为基岩输入地震动,对不同峰值加速度水平下该场地的地震反应进行了二维有限元非线性分析,计算结果验证了所建模型的准确性和可用性。

2008年和2014年2次新疆于田M7地震之间的黏弹性应力转移

青藏高原西北边缘地区在2008年和2014年先后发生了2次7级以上强震,这2次地震发生在阿尔金断裂带西南端,对于认识区域动力背景和潜在地震危险性有重要意义。文中采用分层黏弹性模型和最大应力策略研究了这2次地震之间的相互关系。计算结果表明,2008年于田地震的同震应力扰动触发了后续的余震活动,该地震产生的同震应力扰动对2014年于田地震的发生影响不显著;但是,此次地震6a后震后变形所导致的应力扰动有利于2014年于田地震的发生。2014年于田地震发生后,阿尔金断裂带西南段上的同震和震后库伦应力显著增加。考虑到阿尔金断裂带西南段上次强震的离逝时间和应力积累-释放过程,该断裂带上的地震危险性值得进一步关注。

热空气老化下黏弹性阻尼硅橡胶寿命预测模型

以压缩永久变形为寿命分析研究对象,研究了常用工况下老化时间对黏弹性阻尼硅橡胶的储能模量、损耗模量及损耗因子的影响,同时采用热空气加速老化试验方法探究了黏弹性阻尼硅橡胶在不同温度(348,363,378,393 K)下压缩永久变形性能保持系数随老化时间的变化规律,并通过对两种老化动力学模型进行研究分析和修正获得了黏弹性阻尼硅橡胶的老化反应速率,此外,还对不同老化动力学模型下老化反应速率对Arrhenius模型的非线性行为进行了分段研究,推测了黏弹性阻尼硅橡胶的储存寿命。结果表明,在室温(298 K)下两种老化动力学模型在储存寿命为10.0 a时的压缩永久变形性能保持系数均为0.60;当选择压缩永久变形性能保持系数为0.50作为失效判据时,黏弹性阻尼硅橡胶的储存寿命分别为20.0 a和19.2 a,使用两种模型所得黏弹性阻尼硅橡胶的储存寿命误差仅为4%。

黏弹性材料等效标准固体模型的时域延拓方法

为了精确计算黏弹性阻尼器在任意荷载作用下的时域动力响应,提出了一种针对黏弹性材料等效标准固体模型的时域延拓方法.该方法首先将频域内的等效标准固体模型延拓到拉氏域内,再采用高精度拉氏逆变换数值求解方法将拉氏域表达式转换到时域,得到黏弹性阻尼器的时域动力响应.针对无锡减震器厂生产的9050A型号黏弹性阻尼材料的计算结果表明:在正弦激励下,采用时域延拓法计算的储能模量G1的最大误差为0.005 4%,损耗因子η的最大误差为0.279 7%?在随机荷载激励下,相比于等效线性化近似方法,采用时域延拓法计算得到的El Centro和Kobe地震波作用下最大出力的计算精度提高22.2%以上?所提方法避免建立复杂的时域微分方程,简化了计算过程.

基于Kanai-Tajimi谱六参数黏弹性耗能结构地震响应的简明封闭解

频域法在计算线性系统随机响应时应用较广泛,但其显著缺点为:计算多自由度动力系统随机响应功率谱无显示封闭解;获得结构响应的方差和谱矩需要数值积分,分析精度和效率受积分步长和积分区间影响较大。基于以上问题,研究了六参数黏弹性耗能多自由度结构基于Kanai-Tajimi谱地震作用下平稳响应的解析解法。运用该方法对一榀5层建筑结构进行分析,获得了线性多自由度耗能结构地震动系列响应方差及0~2阶谱矩的简明封闭解,并将其与虚拟激励法进行对比分析。研究表明,简明封闭解法是一种非常有效的计算线性多自由度系统随机稳态响应的简明解法。

沥青混合料在重复荷载作用下的黏弹性变形

为了研究沥青混合料在不同温度、不同应力下黏弹性变形响应,提出了基于三轴重复荷载试验评价沥青混合料抗车辙能力的方法,并对沥青路面车辙发展规律进行了分析。采用半正弦波荷载来模拟路面实际车辆荷载,基于黏弹性五单元八参数模型,推导了能够适用于三轴重复荷载试验的力学模型。结合三轴重复荷载试验的试验结果,利用Origin 8.5软件,对三轴重复荷载试验数据进行拟合,得到了相应的黏弹性参数。对比计算流动数和实测流动数,分析沥青混合料黏弹性变形特性。研究结果表明,温度越高、应力越大,混合料黏弹性变形越大,流变性越小;重复荷载作用下沥青混合料永久变形黏弹性力学模型参数拟合相关系数达到95%以上,表明该模型可以有效地反映沥青混合料黏弹性变形特性。

分数阶黏弹性有限元及其在围岩变形中的应用

在经典力学所得到的黏弹性动力学方程的基础上,引入分数阶微积分基本理论,获得了分数阶黏弹性动力学方程。与有限单元法基本理论相结合,最终获得分数阶黏弹性有限单元法的方程表达式。参考整数阶New-mark积分方法,获得了分数阶New-mark的积分方案与数值实现方法。计算了开孔为巷道形状的无限大平面弹性区域的算例,对比了黏弹性有限单元法的整数阶与分数阶形式的计算数据。验证结果表明分数阶粘弹性有限单元法具有分数阶流变模型平稳的优势,同时又有比有限元法更好的收敛精度。

考虑黏弹性滞后效应的拱坝位移监控组合模型

位移监控模型需要对拱坝变形性态兼具良好的解释和预测能力。水压-滞后-周期性温度-时效四因子HHST(Hydraulic,Hysteretic,Seasonal and Time)模型能够合理地解释锦屏一级拱坝的黏弹性滞后变形性态。为进一步提升该模型的预测精度,使用支持向量机(SVM)建立有限元计算所得拱坝黏弹性滞后位移与其因果因子之间的隐式关系,再将其融入到HHST模型中,进而基于多元线性回归建立拱坝位移的组合监控模型。以锦屏一级拱坝为例,减少输入因子数的组合模型的预测精度明显高于直接以HHST模型中18个因子作为输入的单一模型;SVM对滞后水压位移分量的预测精度明显高于基于约束最小二乘法的线性回归模型,采用2种滞后水压分量所建组合模型对拱坝变形性态具有相近的解释能力,而采用SVM滞后水压分量建立的组合模型可有效地提高拱坝位移的预测精度,多测点均方误差(MSE)平均降低21.67%,决定系数R2整体提高0.07%。

考虑土体非线性及倾角影响的盆地地震响应研究

基于二维沉积盆地模型,采用D-P弹塑性模型模拟盆地的非线性特征。利用显式有限元与黏弹性边界结合的方法,通过改变盆地边缘倾角,在时域和频域内分析盆地地表的地震动响应,对比线性与非线性盆地地震反应的差异。结果表明:(1)土体非线性对整个盆地范围内地震动的影响都较显著。考虑非线性时地震动放大系数明显降低,降低幅度在30%~50%。同时,考虑非线性和倾角影响时最强烈放大区域的范围和位置变化,且很小倾角下的分布特征显著不同。(2)两分量的放大系数都有随边缘倾角的增大而增强的趋势,但均是盆地边缘区域受非线性的影响最为显著。此外,真实地震波输入下显著放大区域的范围及线性与非线性结果的差异程度相对更大。(3)考虑非线性时,对于不同频率地震波的放大系数差别明显,但都表现出从低频到高频谱比分布越来越复杂的现象,同时盆地倾角的影响程度随频率的增大更加明显。(4)考虑土体非线性并未改变地震波传播的总体特征,但各震相强度相对降低。

周期荷载下岩石分数阶黏弹塑性本构模型研究

为研究周期荷载下岩石疲劳变形特性,基于分数阶微积分构建分数阶黏壶,将分数阶黏壶替换西原模型黏塑性体中的一般黏壶,并在西原模型中串联一个黏性元件,分别建立了可描述周期荷载下岩石变形规律的一维和三维分数阶黏弹塑性本构模型。在高动应力状态下,模型为反映岩石减速、等速、加速3个变形阶段变形规律的岩石分数阶黏弹塑性疲劳本构模型;反之,则为反映岩石减速、加速变形规律的Burgers模型。对既有的岩石疲劳试验结果拟合表明:基于分数阶黏弹塑性模型所建立的岩石疲劳本构方程可较好地描述周期荷载下岩石各种变形特征,拟合系数在0.96以上。研究成果可丰富岩石力学理论,为相关研究提供参考。

黏弹性层状多孔介质中地震波传播方程的传递矩阵解法

基于Biot理论,饱和多孔介质中波的传播是一个耦合问题。由于此模型的复杂性,难以给出高效的数值解法。为此本文提出了地震波在层状饱和多孔黏弹性介质中传播的一种实用求解方法,即在所研究的层状三维模型中,对时间域用拉氏变换,对空间域用傅氏变换,将原问题变换为具有六个独立变量的常微分方程组,每个变量只是深度坐标和一个水平坐标的函数,进而得到关于每一层中波的传播问题的传递矩阵,再用数值方法求出传递矩阵的特征值和特征向量。此算法的核心是首先求出在变换后的空间中的波场,然后用FFT方法进行傅氏和拉氏反变换得到在时间域的波场。文中给出了算法的详细推导和数值算例。

黏弹地球地震变形理论研究进展和展望

自Love(1911)研究了自重球体的弹性变形后,基于不同的黏弹性地球模型,许多科学家都对地震变形问题进行了深入研究,主要发展了基于半无限空间和球形地球模型的黏弹地球地震变形理论.地震变形问题通常经积分变换、基函数展开等技术处理后,简化为求解满足特定震源和地表边界条件的常微分方程组问题.针对这一独特的数学物理边值问题,本文以全解析、半解析和数值积分解等求解形式概述了近几十年发展的基于规则几何形态地球模型的黏弹地球地震变形理论,并讨论了各种方法的特点.此外,针对三维地球模型,本文也简单回顾了目前的研究进展和存在问题.总之,本文综述了过去半个多世纪以来的黏弹地球地震变形理论的发展历史、研究现状和最新进展,并讨论目前存在的问题和未来的发展趋势.

低频周期荷载下广义Kelvin-Voigt模型特性研究

不考虑低频简谐荷载作用下材料的疲劳破坏,并假定周期应力幅值恒定,从材料流变特性的宏观角度建立了广义Kelvin-Voigt体的正弦加载蠕变模型,并对模型特性进行分析。结果表明:与相同静载应力下(与动荷载应力最大值相等)广义Kelvin-Voigt体蠕变模型相比,蠕变变化规律相似,但动载初始蠕变阶段和稳定蠕变阶段的变形值小于静蠕变,且初始蠕变段经历时间比静蠕变短,此结论与相关文献试验结果相似;动载周期越大,则初始蠕变段经历时间越长,蠕变长期应变值越大。

二维黏弹性随机介质中的波场特征

在高分辨率地震数据中常常作为“噪声”处理的不相干扰动,其实部分是源于介质在小尺度上的非均匀性。随机介质模型及其相关理论,使人们有可能在统计的意义下反演出介质在小尺度上的非均匀特征(如空间自相关函数、平均异常尺度、标准差等)。本文通过波动方程的交错网格有限差分正演,模拟了地震波在二维黏弹性随机介质中的传播及其自激自收时间记录。研究了黏弹性随机介质中的波场特征以及黏弹性随机介质中的最大振幅波至旅行时、振幅衰减等特征,并得出了若干结论。通过正演模拟表明黏弹性随机介质模型对应的地震记录中有散射波、振幅衰减、旅行时扰动、地震波尾等复杂的波场特征;波的散射形式强烈依赖于介质的统计特性,如自相关函数、方差和吸收系数等;介质的自相关长度的变化对波前振幅的影响很小。

基于流固耦合动力模型的饱和土体-隧道体系地震反应研究

基于ABAQUS软件平台,应用自行开发的流固耦合动力模型孔压单元模拟场地土体,并通过黏弹性人工边界方法实现地震动的输入,对饱和土体场地中的双孔隧道结构在地震荷载作用下的动力反应进行研究。计算结果表明:在地震反应结束时刻,场地土体位移幅值在两隧道之间以及两隧道的附近区域较大,而远离隧道的区域则较小;场地底部区域土体的孔压幅值较大,而场地顶部区域土体则较小;隧道左右两侧拱腰部位的衬砌的应力较大,而拱顶部位则较小。计算结果同时表明了流固耦合动力模型孔压单元在饱和土体-隧道体系地震反应研究中的适用性。

堤坝非线性地震响应的离散型剪切条模型等价线性化方法

基于一维剪切梁计算模型,对堤坝非线性地震动力响应提出了改进的等价线性化方法。首先,考虑土的剪切刚度与阻尼的层状分布,建立了离散型剪切条计算模型,通过求解确定了堤坝的自振特性,基于黏线弹性模型给出了堤坝地震反应封闭形式的解答,然后,将所得到的黏线弹性解答与等价线性化方法相结合,通过反复迭代使每层的模量和阻尼比与其自身的剪应变相协调,由此确定与堤坝非线性系统相等效的线性体系,并以所得到的地震响应作为非线性地震响应的近似解;最后,通过对算例的数值计算与分析论证了这种以剪切条模型为基础的堤坝非线性地震响应等价线性化方法的合理性。

楼板刚、弹性计算假定对梁式转换高层建筑地震作用效应的影响

论述了楼板刚弹性计算假定对梁式转换结构地震反应的影响。提出楼层地震剪力在抗侧力构件中的分配除按楼盖的刚性、柔性和弹性三种情况考虑以外,还存在另一种分配方式,即转换层上邻近楼层框支剪力墙分配的地震剪力受转换层下部结构落地剪力墙设置的间距和楼板面内变形的影响。建议进行复杂高层建筑结构内力与位移计算时,楼板宜按弹性考虑。