基于Winkler地基梁模型的高桩码头非线性时程分析

基于Winkler地基梁模型,考虑高桩码头结构的非线性,进行了高桩码头的非线性时程分析。采用的Winkler地基梁模型由并联的弹簧和阻尼器组成,弹簧和阻尼器分别用于模拟桩侧土抗力和土体辐射阻尼。通过岸坡自由场地震反应分析获得结构地震动输入,并将计算得到的位移时程施加在弹簧末端以计算码头动力反应。另外,通过去除模型中的阻尼器以研究辐射阻尼对高桩码头地震反应的影响。研究表明,Winkler地基梁模型可以很好地模拟码头在地震作用下的受力状态,得到桩基塑性铰出现次序、内力及变形;辐射阻尼会减弱码头地震反应,影响结构破坏程度,在工程设计中应予以重视。

Winkler地基梁动力学系统的无量纲化与参数识别

为简化Winkler地基梁动力学系统的双参数识别计算,提出一种新无量纲方法,通过对系统时间、空间坐标进行线性变换,实现动力学方程系数的彻底归一化,得到与系统参数解耦的广义频率方程,发现频率、频率比仅由无量纲梁长决定的本质.提出基于频率比互等关系的双参数识别算法,该算法通过对广义频率方程进行一次求解即可在相应边界条件下得到频率、频率比关于无量纲梁长的预解集,在得到该系统任意两阶实测频率后,即可依托于时间、空间还原系数所建立的线性转换关系实现对双系统参数的定解.较之于传统双参数识别算法,该算法具有两个特点:(1)识别计算仅涉及单变量超越方程的求解与线性转换,避免了双参数超越方程组的非线性迭代问题,可使识别计算得到有效简化.(2)任意系统参数值的变化仅影响时空、空间还原系数的大小,预解集具有适用于系统参数值任意变化的一般性,可有效避免因系统参数值改变而导致重复迭代的情况,实现了解的一般化.

集中力下的Winkler地基上双层弹塑性梁

为了完善弹性地基上弹塑性梁的理论基础,假设梁弯曲符合理想弹塑性模型,双层梁层间为竖向弹簧连接,根据受力平衡和本构关系建立Winkler地基上双层弹塑性梁的微分方程并给出通解.以无限长双层梁中心处作用集中荷载为例,研究同质同宽双层梁的加载全过程,分析梁厚、层间竖向模量等参数对梁极限承载力的影响.结果表明:当上、下层梁厚度相同或下层梁更薄时,不论层间竖向模量取多大都是上层梁先屈服;层间竖向模量趋近于无穷时,上下层梁的挠曲线相同,极限承载力趋近于双层叠合梁的极限承载力,此时结构退化成双层叠合梁;当层间竖向模量与地基反应模量之比大于5000时,上、下层梁竖向拉压变形对梁极限承载力的影响超过3%,应予以考虑,宜采用广义模量计入梁截面竖向拉压变形的影响.

有限深度介质上梁非线性能量汇减振的Winkler地基实现

土-结构相互作用对结构动力学特性的影响是一种具有非线性能量汇特征的效应。利用考虑土体质量的Winkler地基梁理论,将有限深度弹性介质等效为非线性能量汇系统的附加质量,建立简谐激励下弹性介质上简支梁系统的非线性动力学模型。采用Galerkin方法和增量谐波平衡法分析了弹性介质上简支梁的非线性动力响应。利用数值计算方法验证了理论结果的正确性,并分析了非线性能量汇的有效性。通过参数优化和分析,揭示了不同参数范围内Winkler地基的减振效果,讨论了其最佳参数范围。研究结果表明:在合理的参数范围内,弹性介质对其支承梁的动力响应有良好的抑制作用,能够快速有效地吸收共振条件下的振动能量,并具有良好的鲁棒性。优化后的非线性能量汇可使梁的共振幅值降低超95%,且具有较宽的减振频带。研究成果从非线性能量汇的角度展现了土-结构相互作用效应的减振机理,为基于弹性地基设计的结构振动抑制提供了理论依据。

桩土相互作用研究领域的Winkler地基梁模型综述

Winkler地基梁模型是研究桩土相互作用问题的基本模型。在简述Winkler地基梁模型发展进程的基础上,对不同历史时期具有代表性的Winkler地基梁模型进行描述,并对其进行评价。研究发现:Winkler地基梁模型可以简单而有效地描述桩侧土体的力学状态及其对结构力学行为的影响,进而解决桩土相互作用问题,但在应用中必须对其进行合理改进,以使其更符合工程实际。

基于地基梁理论的断层非线性错动下隧道纵向响应研究

为研究走滑断层错动作用下隧道结构的纵向响应,采用Pasternak双参数地基和弹性梁理论,建立穿越多破裂面断层隧道在断层强制位错作用下的纵向响应微分方程,通过数学方法求解获得隧道结构在断层位错作用下的纵向变形、内力响应,并通过模型试验和数值模拟对理论解析模型的有效性进行验证。在此基础上,采用理论解析模型对隧道结构纵向响应的影响因素进行敏感性分析。主要得出以下结论:1)理论解析模型计算得到的隧道纵向变形和弯矩变化趋势与模型试验和数值模拟结果完全一致,但数值上趋于保守;2)断层错动的位移形式和围岩-隧道结构的刚度匹配关系对隧道结构纵向响应的影响较大,应根据具体的断层破碎带形式选择合适的断层错动位移函数;3)随着围岩-隧道结构刚度比的增大,围岩对隧道结构的约束作用随之增大,隧道结构纵向内力集中现象增加,但受断层错动影响的范围减小,在具体工程设计中应结合施工成本、抢通时间等来选择合适的围岩-隧道结构刚度匹配关系。

基于Kerr地基模型的沉管隧道纵向变形与内力的分析

假定软土地区沉管隧道地基土为三参数Kerr模型,同时沉管隧道管节等效为Timoshenko梁,采用竖向弹簧及旋转弹簧模拟管节接头,建立沉管隧道的简化计算模型。基于Kerr地基上Timoshenko梁理论,推导出沉管隧道整体结构的解析表达式。通过对比基于空间实体有限元的数值模拟结果,合理选取Kerr地基模型中的参数值,然后对Kerr地基模型上土层厚度与压缩模量的敏感性因素进行了分析。结果表明:合理的Kerr地基模型参数使沉管隧道纵向变形结果与实际符合程度好。另外,Kerr地基上土层厚度的增加以及土层压缩模量的减小都会使沉管整体结构纵向变形以及两端弯矩增大。

Mathematica在Winkler地基梁分析中的应用

Winkler地基梁挠曲方程的分析涉及高阶微分方程的求解,从而使得手工进行该项工作既耗时又枯燥。为提高本科生Winkler地基梁的分析水平,在土木工程本科教学中引入Mathematica软件。将作用在Winkler地基梁上的均布荷载、集中力和集中力偶用不同类型的奇异函数在软件中统一表达,借助软件强大的计算能力,对两个算例进行分析计算及内力曲线绘制。两个算例证明Mathematica的引入有利于学生对自己感兴趣的具体边界条件下的探索性问题运用Winkler理论进行分析。

Winkler与三参数弹性地基梁模型的计算比较

三参数弹性地基梁模型是在Winkler模型基础上的改进.为说明三参数模型的实用性,以Winkler弹性地基梁和三参数模型为理论计算基础,采用有限元法分别求解,并用Matlab编制程序进行计算及绘图.通过对计算实例的比较和分析,表明三参数模型计算方法在计算基底位移、基底反力时比Winkler模型更加符合实际,在计算梁内力时与Winkler模型基本相同,最后对影响因素进行了分析.

基于Winkler地基叠合梁的不均匀沉降作用下的无砟轨道变形研究

针对双块式无砟轨道建立Winkler地基叠合梁解析模型,用来预测下凹余弦型土质路基不均匀沉降时轨道的弯曲变形,并采用考虑轨道-路基接触非线性的梁-体有限元模型对比验证,确定出了Winkler地基叠合梁模型预测轨道变形适用的临界条件,即轨道与路基接触非线性触发的临界条件。研究发现:小沉降幅值/波长工况下,2种模型预测结果吻合得很好,而较大沉降幅值/波长工况下,解析模型预测轨道变形结果偏大,梁-体有限元模拟结果显示轨道与路基间发生了明显的脱空现象,接触应力为0;给出了轨道与路基接触非线性触发的临界条件,即路基不均匀沉降波长为10、15、20、25 m时,Winkler地基叠合梁模型应用的临界沉降幅值分别为1、3、10、30 mm,大于临界沉降幅值时,轨道与路基接触非线性开始触发;得到了Winkler地基叠合梁沉降波长-临界沉降幅值曲线,为快速准确预测路基不均匀沉降工况下的轨面变形提供了理论依据和计算方法。

基于广义Winkler弹性地基梁理论的梯形渠道冻胀力学模型

寒区渠道衬砌冻胀破坏现象普遍,而渠道的防冻工程设计大多依赖工程实践经验和定性认识,具有一定的随意性和盲目性,对衬砌结构所受的冻胀力计算缺乏简明、合理的方法。考虑冻土与衬砌的相互作用和冻土地基的连续性,基于广义Winkler地基梁理论并结合有限差分法,推导了渠道衬砌板冻胀挠曲线微分方程,建立了梯形渠道冻胀力学模型,给出了衬砌渠道法向冻胀力及切向冻结力的计算方法。同时,考虑渠道衬砌冻胀破坏的极限承载力以及冻胀过程中坡脚上抬位移对实际冻胀力的削减和释放效应,避免了冻胀力及衬砌结构内力计算值过大。为验证模型的合理性,以甘肃省靖会总干渠梯形渠道为研究对象,对其进行冻胀破坏计算。结果表明:模型由于考虑了衬砌结构与冻土间的相互作用,渠道衬砌板法向冻胀力呈非线性分布,修正了工程力学模型线性分布假设;与工程力学模型相比,冻胀力数值在坡脚处增大、跨中减小、底板上增大,计算结果更符合工程实际。研究提出的冻胀力学模型科学合理,简便快捷,具有更好的通用性,可为寒区渠道的抗冻胀设计提供参考。

移动荷载下有限深度Winkler地基上梁的动力响应研究

基于考虑有限深度土体运动的Winkler地基梁理论,建立移动荷载作用下弹性地基上有限长梁的横向运动方程。利用模态叠加法求得移动荷载作用下有限长梁动力响应的解析解,进而以移动荷载离开时梁的响应为初值,采用分离变量法求得有限长梁自由振动的一阶近似解;通过数值计算和参数分析,揭示了移动荷载作用下有限深度Winkler地基上简支边界梁的动力学特性,分析地基深度、地基黏滞阻尼系数和荷载移动速度等对有限长梁受迫振动阶段和自由振动阶段动力响应的影响,全面揭示有限深度土体运动对临界速度的作用效应。结果表明:地基深度显著降低了临界速度,且弹性地基黏滞阻尼明显延长了自由振动衰减时间;荷载移动速度加剧了有限深度弹性地基与其支承梁的相互作用效应,系统振动的幅值和响应周期均发生显著变化。

有限深度土体运动对Winkler地基上梁1/3次亚谐共振影响分析

有限深度土体运动对弹性地基上梁的动力学特性和非线性响应均有显著影响。为丰富和深化相关研究内容,本研究基于引入土体运动影响的Winkler地基梁的非线性动力学模型,关注了有限深度土体运动如何影响弹性地基上梁在1/3次亚谐共振条件下的行为。通过应用Galerkin方法和多尺度法推导出了梁在1/3次亚谐共振情况下的频率响应方程以及位移的二阶近似解。进而根据响应方程进行数值计算,得到了Winkler地基上梁的1/3次亚谐共振的幅频响应曲线,分析了与土体运动密切相关的参数(地基深度、质量、弹性模量、地基刚度和阻尼等)和激励幅值等对梁亚谐共振的影响。结果表明:考虑有限深度土体运动的影响后,梁的1/3次亚谐共振响应的区域和幅值均减小;随弹性地基深度、质量、弹性模量和刚度变化,幅频响应曲线的偏转程度、共振区域和响应幅值均发生定量改变;外激励幅值对梁1/3次亚谐共振响应的特性无影响,而对响应幅值和共振区域则有显著影响;地基阻尼对梁的1/3次亚谐共振有明显的抑制作用。

基于Kerr地基模型的盾构下穿诱发既有非连续隧道纵向变形分析

目前针对盾构开挖诱发既有隧道结构变形的理论研究一般将既有隧道视为搁置在Winkler地基上的Euler-Bernoulli梁,未充分考虑地基的非线性剪切变形及管片剪切变形的影响,尤其是较少考虑隧道环缝接头存在所带来的力学效应作用。首先,采用Loganathan和Poulos公式计算得到盾构下穿开挖引起既有隧道轴线处土体竖向位移;然后,将既有隧道视为由环缝接头连接而成的Timoshenko梁,并将其搁置在Kerr地基模型上,采用有限差分法计算得到既有隧道纵向变形;最后,采用工程监测数据与理论解进行对比验证,得到了较好的一致性。此外,针对土层弹性模量、既有隧道等效抗弯刚度和等效抗剪刚度进行了参数分析。分析结果表明,随着土体弹性模量的增大及既有隧道等效抗弯刚度的减小,既有隧道位移、环缝接头相对转角、管片及环缝接头处弯矩均增大;随着既有隧道等效抗剪刚度的增大,既有隧道位移减小,而环缝接头相对转角、管片及环缝接头处弯矩均增大;环缝接头相对转角、管片及环缝接头处弯矩随着与新建隧道轴线距离的增大呈先减小后增大趋势;当既有隧道环缝接头刚度折减系数增大时,管片及环缝接头处弯矩均增大,而隧道位移及环缝接头相对转角减小。

复杂条件下Winkler地基梁的解析解

基于梁的弯曲微分方程、有限元理论和最小势能原理(虚功原理),利用梁单元间的位移、转角、弯矩和剪力协调条件,地基梁的整体平衡条件,给出了复杂条件下Winkler地基梁的一种计算方法。此方法能对Winkler地基梁在受集中力、集中力偶和任意形式的分布荷载共同作用时进行解析解求解,而且地基梁的截面和弹性模量、地基的基床系数可以分段不同。此方法能得到各梁单元和整个地基梁的沉降位移表达式,且这一表达式与简单条件下的Winkler地基梁经典解有相同的结构形式;根据与沉降位移表达式之间的导数关系,可以进一步得到转角、弯矩和剪力表达式。算例表明,计算结果与一般有限元方法的计算结果完全吻合。另外,此方法虽然在概念上属于有限元方法的一种,但单元划分方法与一般有限元方法存在本质差别,单元个数也远远少于一般有限元方法的单元个数。

无砟轨道弹性地基梁板模型

根据无砟轨道的结构和受力特点,采用弹性点支承梁模拟钢轨、板壳单元模拟无砟轨道各结构层,建立无砟轨道弹性地基梁板模型,进行无砟轨道各结构层的荷载弯矩计算,并与弹性地基叠合梁模型及弹性地基梁体模型进行对比。结果表明:弹性地基梁板模型更符合无砟轨道结构的受力特点,能够有效地反映承载层的空间弯曲变形;在该模型的钢轨上施加轮载可直接得到无砟轨道各承载层的纵、横向弯矩,既克服了弹性地基叠合梁模型忽略无砟轨道纵、横向变形协调条件,将纵、横向弯矩分开计算而造成的较大计算误差的缺点,也克服了弹性地基梁体模型层间约束强且计算繁琐的缺点。弹性地基梁板模型计算的结果与遂渝线实测结果基本吻合,验证了模型的合理性和有效性。

考虑水平摩阻力的Winkler地基有限长梁非线性受力分析

基于传统的Winkler弹性地基模型,考虑梁与地基土体界面之间的水平摩阻力影响以及地基梁水平向与竖向的变形耦合及变形的几何非线性特性,建立相应的地基梁变形耦合控制微分方程。在此基础上,采用Galerkin法导出对称荷载作用下有限长梁内力及位移的非线性解析解。将该方法与传统弹性地基梁法及有限元法进行比较,计算结果基本一致。此外,采用该解析解法进一步分析探讨梁土界面间的水平摩阻力对地基梁竖向挠曲变形、剪力及弯矩的影响。分析结果表明,考虑水平摩阻力时梁的竖向挠曲变形、剪力、弯矩较不考虑时的有较大的变化;而且在其他条件不变的情况下,水平摩阻力越大,其对地基梁竖向挠曲变形、剪力、弯矩的影响也就越大。因此,在实际工程设计时梁土界面水平摩阻效应不容忽视,应予以考虑。

任意分布荷载作用下Winkler地基梁计算

根据弹性理论和叠加原理,给出了在任意分布荷载作用下,Winkler地基梁的沉降、转角、弯矩和剪力分布计算方法。首先将待求梁转化为无限长梁,求出对应的边界条件力;然后求该无限长梁在分布荷载和相应边界条件力作用下的解,将两部分进行叠加从而得到无限长梁解答,并可以得到沉降、转角、弯矩和剪力。该解答可与基于集中力荷载作用下的Hetenyi解答进行叠加,以解决多种荷载类型作用下的Winkler地基梁问题。

基于弹性地基梁理论的梯形渠道混凝土衬砌冻胀力学模型

冻胀破坏是寒区渠道衬砌破坏的主要方式,建立合理的冻胀力学模型是渠道衬砌抗冻胀设计的基础。该文基于Winkler假定,将渠道基土的冻胀效应等效为一组相互独立且垂直或平行于衬砌板的弹簧。冻胀量通过弹簧的伸长量体现,冻胀力通过弹簧被压缩产生的反力体现。结合梯形渠道冻胀时衬砌板的受力特点,应用SL23-2006《渠系工程抗冻胀设计规范》冻胀量的计算成果,建立基于弹性地基梁理论的梯形渠道混凝土衬砌冻胀力学模型,其合理性通过与甘肃省靖会总干渠梯形渠道的前人试验和数值模拟结果进行比较验证。结果表明,该文模型计算的冻胀量和冻胀反力的分布规律与前人的试验和数值模拟基本吻合;计算的冻胀量和试验结果整体相对平均误差为4.72%,计算结果合理。该文模型与现行规范推荐的冻胀量计算成果有机衔接,可为寒区渠道抗冻胀设计提供参考。

简谐横荷载作用下Winkler地基上有限长梁1/3次亚谐共振分析

基于Winkler地基模型及Euler-Bernoulli梁理论,建立了Winkler地基上有限长梁的非线性运动方程。运用Galerkin方法对运动方程进行一阶模态截断,得到离散的非线性振动方程,利用多尺度法求得该系统1/3次亚谐共振的一阶近似解。分析了长细比、弹性模量、地基刚度、阻尼、密度等参数对其亚谐共振幅频响应的影响,并通过与非共振硬激励情况对比分析1/3次亚谐共振对系统实际动力反应的影响。研究结果表明:1/3次亚谐共振区域对外激励幅值敏感;阻尼或地基刚度大于一定值后,系统将不出现1/3次亚谐共振响应;1/3次亚谐共振显著增大系统稳态动力响应位移。