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。

拱坝地震输入模型中黏弹性边界与黏性边界的比较

本文首先介绍了动力分析中无限地基数值模拟采用的各种方法,包括无穷元方法、边界元方法、无穷边界元方法。无限边界处理有叠加边界、黏性边界、黏弹性边界和人工透射边界。介绍了拱坝地震自由场输入模型。通过算例和实际工程计算,验证了黏性边界和黏弹性边界均有较好的吸能效果,且两种边界条件下,所得计算结果几乎一致。黏性边界或黏弹性边界均可作为拱坝地震自由场输入模型中的吸能边界。

ABAQUS中黏性边界条件的实现及应用

波动数值模拟时,基底直接输入地震波会导致波动能量在计算域内往复反射,影响分析结果的可靠性。应用黏性边界条件模拟无限地基的辐射阻尼效应,基于波动理论及Spring/Dashpots单元实现了ABAQUS软件中黏性边界条件的施加,进而对弹性半空间的波源问题和散射问题进行波动数值模拟,并验证了黏性边界条件的有效性。采用黏性边界和固定边界条件计算响嘡台阵3号测井的土层地震反应,并将计算结果与实际记录进行对比分析。结果表明,固定边界会造成散射波往复反射,放大了地表的地震响应,黏性边界能吸收散射的波动能量,能够较好地模拟土层地震反应。

边界条件对土石坝地震反应的影响研究

土石坝地震反应分析中,需要对有限网格的边界条件进行处理,以反应实际地基在空间上的无限性。分别采用黏性边界和刚性边界,对土石坝进行了动力分析。结果表明:随着坝高增加,黏性边界对坝顶加速度反应影响逐渐增大;对于均质坝,考虑黏性边界计算的坝顶加速度反应约比刚性边界低10%~30%;对于实际双江口直心墙土石坝,考虑黏性边界计算的坝顶加速度反应约比刚性边界低30%~40%左右。

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。

ABAQUS中动力问题边界条件的选取

数值模拟是研究半无限域中结构地震反应的重要手段,而边界条件的选取则直接影响到数值模拟结果的可靠性。本文应用有限元软件ABAQUS,分别采用固定边界条件、黏性边界条件和远置边界条件对简单弹性半无限介质的波源问题和散射问题进行了数值模拟分析,结果显示:使用固定边界时,波动不能穿过边界面进入半无限介质,这与波动在半无限介质中传播的规律不符。通过与远置边界对比可知:使用黏性边界条件可以很好地模拟地震波穿过人工边界向半无限介质传播的真实情况,可以得到与使用远置边界相同精度的结果。

复杂场地车辆引起的环境振动

为了计算行驶车辆对复杂场地的环境振动影响,提出一种将车辆振动理论与黏性边界有限元相结合模拟振动波传播路径的数值计算方法.将该方法用于一实际工程,建立了车辆-道路-场地相互作用的有限元模型,对车辆振动的主要因素及空沟隔振的效果进行了计算比较,并评价了车辆振动对环境的影响.计算结果发现,随着车辆载重增大,车轮对路面的击地反力相应增大,而动力放大系数不断减小;随着车辆行驶速度的提高以及路面平整度的下降,击地反力及动力放大系数均相应增大;空沟能明显降低场地对车辆振动的响应,但可能会影响车辆行驶的平稳性.

考虑土-结构相互作用效应和土质地基非线性的核岛厂房结构地震响应分析

有效模拟土一结构相互作用(SSI)和土体非线性特征是进行土质地基条件下核岛厂房结构地震响应分析的关键技术问题。基于SuperFLUSH软件平台,采用等效线性法描述近场地基非线性动力特征,通过在地基有限区域设置黏性人工边界来模拟半无限地基辐射阻尼效应的影响,并利用一维有限元法进行自由场响应分析实现地震动的输入,从而建立土质地基条件核岛厂房结构地震响应分析计算模型。最后,以某土质地基条件下的CPR1000堆型反应堆厂房的集中质量简化模型作为研究对象,开展考虑SSI效应和分层土质地基非线性对于核岛厂房结构地震响应特征影响研究,验证了该计算模型的精度和工程应用效果。研究表明:考虑SSI效应,可有效吸收散射波波动能量,减小结构响应;考虑土质地基非线性效应,加速度幅值在不同方向均有不同程度的降低,峰值频率明显的向低频偏移,因此,同时考虑SSI效应及土质地基的非线性特征,并将两者相结合的分析方法对核岛厂房结构抗震分析是必要的。

阶梯地形成层场地的斜入射地震动输入方法

基于黏性边界和地震动斜入射时水平成层场地反应算法,发展了一种阶梯地形成层场地的斜入射地震动输入方法,即两个侧面人工边界处采用各自高度水平成层场地的自由场反应作为输入,底面人工边界处采用入射波场作为输入。由于该方法是近似地震动输入方法,分析了人工边界位置、输入地震动、地震动入射角度、地表斜坡倾角及场地分层特性变化对该方法精度的影响。结果表明,平面SV地震波输入条件下,针对该文研究的各种工况,地表最大位移峰值误差均小于5%,说明提出的斜入射地震动输入方法精度较高,可用于阶梯地形成层场地的地震反应分析。

高烈度地震区双线公路隧道减震措施研究

目前地下结构采用的减震措施主要有2种,即注浆加固和设置减震层。结合雅泸高速公路某隧道,从土-结构相互作用模型出发,运用时程分析方法研究同一地震作用下注浆加固及设置减震层这2种减震措施的地震反应,分析注浆加固范围变化对隧道地震反应的影响,得出这2种措施均可以减小隧道的地震响应,有利于减震。

褥垫层作用下复合地基抗震性能有限元分析

采用大型非线性有限元程序ADINA,针对复合地基-基础-上部结构典型算例,建立了计算模型,并进行了有限元动力时程分析。计算模型中,桩体、桩间土、垫层、基础采用简化的线弹性模型,分别定义材料类型;上部结构采用弯矩曲率梁算法进行计算;在边界设置黏性边界模拟无限域中的动力人工边界。通过数值计算研究了不同桩体刚度对自由场地加固区地表和非加固区地表位移峰值和加速度峰值和桩身所受到的弯矩及剪力的影响;研究了上部结构在不同垫层性质(不同刚度和不同厚度)作用下的动力反应,从而得出垫层的合理设置,为复合地基设计施工提供依据。

复杂地基条件下桩-土-核岛结构相互作用模型研究

合理有效地模拟桩-土-结构动力相互作用是软土地基条件下核岛厂房结构抗震适应性分析及地基处理的关键环节。以某拟建核岛厂房实际工程为研究背景,结合SuperFLUSH软件平台,以Goodman单元模拟桩与桩周土间的接触效应,采用等价线性法描述近场软土地基非线性特性,并在模型底部和侧面引入黏性边界模拟半无限地基辐射阻尼效应,从而建立土质地基条件下桩-土-核岛结构相互作用分析模型。进而,通过对原状地基和嵌岩桩处理地基条件下核岛厂房的楼层反应谱、结构节点相对位移(绝对值)的对比分析,探讨考虑桩-土间接触效应的嵌岩桩基对核岛厂房结构的影响规律。研究成果可为实际工程中类似土质地基条件下核岛厂房结构的地基处理提供参考。

动力分析中无限地基两种近似方法的应用研究

在结构-地基的动力相互作用分析所提出的众多方法中,无质量地基和黏性边界地基仍然是应用最为广泛的近似方法。针对当前结构-地基动力相互作用分析中地基模型处理中的一些问题,通过结构-地基动力相互作用分析公式的推导以及各变量物理意义的解释,详细阐明了当前考虑地基影响的动力分析中无质量地基和黏性边界地基的概念和应用范围,对当前部分研究中应用这两种地基中存在的问题进行了分析说明,为简化地基动力分析模型提供了思路。

基于ANSYS平台的非岩性地基条件下核岛厂房结构三维地震响应分析

有效模拟无限地基辐射阻尼和近场地基非线性动力特性是非岩性地基条件下核岛厂房结构抗震安全评价的关键因素。首先基于ANSYS分析平台,结合UPFs的二次开发特点,通过创建等价线性单元描述非岩性地基的非线性动力特性,并推导开发一种黏性边界单元模拟无限地基辐射阻尼效应及地震动输入,从而建立了适用于非岩性地基条件下核岛厂房结构三维地震响应分析的计算模型。其次通过开展三维土柱自由场动力分析,与日本成熟的二维软件SuperFLUSH/2D进行对比,研究验证所开发模型的合理性及精确性。最后以国内某拟建非岩性核电场址为例,探讨半无限地基辐射阻尼效应和近场地基非线性动力特性对核电结构地震响应的影响规律,并进一步验证计算模型的工程适用性。研究成果可为类似非岩性地基条件下核电工程结构的抗震安全评价分析提供借鉴与参考。

颗粒离散单元法地震动力时程计算黏性人工边界及其应用

采用颗粒离散单元法(PFC)进行地震动力时程计算时,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PFC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,在连续介质的黏性吸收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。在离散介质的等效方程中引入微调系数,建立确定其最优值的方法,以实现对波的最佳吸收。采用合成岩体方法(SRM)建立顺层岩质边坡和逆层岩质边坡结构面网络模型。基于提出的方法,在边坡颗粒流数值模型的人工边界上设置黏性吸收边界,对含有正交次级节理的顺层岩质边坡和逆层岩质边坡的地震破坏过程进行模拟,对其地震破坏机制进行系统分析,相关研究结论对边坡地震破坏机制研究具有重要意义。

基于FLAC3D的斜入射地震波作用的数值模拟方法研究

地震动输入是进行土层场地或土-结构相互作用体系地震反应分析的重要一步。通过波场分解,将人工边界上的波动场分解为自由波场和散射波场,其中人工边界上的自由波场根据波在自由表面的反射理论求得,散射波场由黏性人工边界直接吸收,进而在人工边界上施加等效荷载实现斜入射地震波作用的输入。借助MATLAB辅助计算程序和FLAC3D的前后处理功能,进行不同角度(0°和30°)入射条件下SV波作用的时域数值模拟计算,数值解和理论解吻合较好。算例表明,采用黏性人工边界和等效荷载输入方法具有较高的计算精度,建立的数值模拟方法为土层场地和土-结构动力相互作用在地震波斜入射下的反应分析提供了简单易行的计算途径。

自适应笛卡尔网格超声速黏性流动数值模拟

复杂外形/流场的高质量网格的生成往往需要占用大量人力资源,而自适应笛卡尔网格方法能够自动化生成高质量网格,具有很好的工程实用价值和应用前景。基于笛卡尔网格方法,采用叉树数据结构进行数据的存储和访问,分别从几何特征和流场解特征出发进行网格的自适应加密和粗化,发展了一种二维情况下自动、高效的自适应笛卡尔网格生成方法。从浸入边界方法出发,结合虚拟镜像对称方法和曲率修正技术进行黏性物面边界条件的处理,同时建立了多值点问题的处理技术,发展了一种在笛卡尔网格下可有效模拟黏性物面边界条件的方法。针对自适应笛卡尔网格非均匀的特点,发展了悬挂网格的处理方法,并构建了适用于自适应笛卡尔网格的黏性数值求解器。通过典型算例的考核,验证了所发展的自适应笛卡尔网格生成技术和构建的数值求解器具有较高的精度和可靠性。

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。

典型场地对核岛厂房FRS影响的对比分析

非基岩厂址的地震安全与适应性是核安全关注的重点之一.选择AP1000标准设计中6类场地作为典型场地条件,采用复频响应方法和黏性边界,针对某核岛厂房结构开展土-结构相互作用地震反应分析,对比了不同场地条件下楼层谱的特点.结果表明,核岛厂房在岩类场地上的地震反应区别不大,而在岩土类场地条件下则变化显著;场地条件对核岛结构水平方向地震响应的影响明显大于对其竖向反应的影响;不同场地条件下的土-结构相互作用效应对核岛结构地震响应的影响较为复杂,对不同频段的影响有所不同.