非线性结构-地基动力相互作用问题的高效算法

引入等效一致粘弹性人工边界单元及其输入方法,提出了广义坐标变换方法解决非线性结构-地基动力问题分析的高效方法.基于结构非线性动力反应问题算例与结构-地基动力相互作用系统整体算例,探讨了高效算法用于非线性结构-地基动力相互作用问题的可行性,为实现大型结构-地基系统非线性动力反应问题的快速分析奠定了基础.算例表明,作为一种快速数值计算方法,引入广义坐标变换解决强震作用下的结构-地基动力问题十分有效.     

海上风电工程结构与地基的关键力学问题

作为一种新型清洁能源,海上风力发电受到人们的广泛关注,近十年发展迅猛．海上风电结构既不同于陆上风电结构,也区别于传统的海洋平台,既要考虑风对风机、塔架的作用,也要考虑波、浪、流、冰对水下支撑结构和地基的作用,还要考虑高倾覆力矩作用下地基的变形和承载力．然而,与之相关的水动力学、土力学、结构动力学及流．固一土耦合力学等的现有理论,还远不能满足工程设计和建设的需求,亟待发展．本文在阐述海上风电工程发展现状、结构形式与特征的基础上,重点阐述有关海上风电结构（包括固定式和浮式）的耦合水动力载荷与响应、地基的动力响应与承载特性的研究发展趋势,从水动力学、土力学和结构动力学的角度,凝练其中亟待开展深入研究的关键科学问题,包括：近海复杂海洋环境条件、海上风机系统的耦合水动力载荷、支撑结构和地基的动力响应等,并据此提出近期研究的发展方向,为从事海上风电工程研究和建设的科技人员提供参考．     

周期分布结构-地基系统在竖向传播地震作用下的透射边界模型

结构-地基有限模型中传统的固定（或自由）边界错误地将地震能量全都陷入结构的计算模型,严重影响了结构地震反应的计算精度．为了改善这一不合理状况,该文提出周期分布结构-地基系统在竖向传播地震作用下的透射边界模型,用于处理结构-地基的动力相互作用。在地基有限模型的底面使用阻尼或改进的阻尼透射边界,侧边使用捆绑边界。文中算例表明该透射边界模型不仅有效,而且还能应用于一般结构-地基系统的非线性动力反应分析。     

空间结构-地基动力相互作用数值分析时域算法研究

对于大型结构地震响应分析,结构-无限地基耦合系统动力分析的数值实现,往往由于有限元网格过多,以及地基无限域时域计算模型中存在的复杂卷积运算,严重限制了求解规模.为解决此问题,提出了基于阻尼溶剂抽取法的三维结构-地基相互作用分析的分区时域逐步求解模型.并针对三维大规模工程问题的数值求解,在积分算法及矩阵存储格式等方面,结合阻尼溶剂抽取法的特点进行了详细的探讨,以推进动力相互作用时域数值分析的实用化.以三维全空间球形空腔动力变形及大岗山拱坝的地震响应分析为例,针对上述数值实现算法进行了具体验证,并就不同的地基弹模及地震波输入方式对坝体响应的影响进行了探讨.计算结果表明,地基辐射阻尼以及河谷散射效应对结构的动力响应有很大影响,而该模型表现出了良好的精度和计算效率.     

建筑物作用下复杂地基稳定性分析

建筑物作用下复杂地基稳定性分析阮怀宁，结构与介质相互作用理论及其应用，河海大学出版社．１９９３年在上部结构与地基介质相互作用中，复杂地基稳定性分析有重要的理论与应用意义，本文研究了非均质非线性各向异性地基极限承载力问题，通过复杂条件下的岩土介质破坏准...     

复杂工况下土-结构体系的混合约束模态法

基于动态子结构法的原理,提出了线性-非线性混合约束模态综合法,对复杂工况下的二维地基土-箱型基础-上部剪力墙结构相互作用的非线性动力问题进行分析研究。复杂工况包含了一致黏弹性边界问题和基础与周边土体的高度非线性接触问题。依据土-结构相互作用体系存在局部非线性的特性,将体系划分为若干个线性和非线性子结构。在动力时程分析中对所有非线性子结构利用自编二次开发程序逐步提取等效特性矩阵,再与经势能判据截断准则减缩过的其他线性子结构组合后进行模态综合处理,推导出含有接触关系的子结构方程与含有一致黏弹性边界的子结构方程,最后形成复杂工况下含有各个子结构的模态综合方程。分析结果表明,混合约束模态综合法与ANSYS直接计算法求得的位移、速度、加速度、水平剪力、弯矩、层间位移角动态响应时程曲线吻合良好,证明线性-非线性混合约束模态综合法是求解复杂工况下的土-结构动力相互作用问题的有效可行方法。     

地基-非线性结构体系空间效应的主共振

为了揭示地基-非线性结构相互作用体系的动力行为，采用现代动力理论对体系的振动方程进行了定性分析。假定非对称结构的恢复力为双线性模型，地基土为集中参数模型，建立了地基-结构空间相互作用模型。采用多尺度法研究了地基-结构相互作用空间效应的主共振，得到主共振的定常解并讨论了其稳定性，通过算例得到了体系水平刚度与扭转刚度成某一关系时的振动特性与能量传递规律。     

基于2．5维有限元方法模拟高速列车产生的地基振动

为了研究高速列车运行产生的地基振动,发展了分析移动荷载作用下轨道和地基动力相互作用的2．5维有限元数值方法．通过对沿轨道方向坐标变量的傅里叶变换将三维问题降为二维平面应变问题,进而在垂直轨道的平面内进行有限单元的离散和求解．轨道及其下的道床层被简化成铺设在地基表面的复合欧拉梁,而具有复杂物理力学性质的地基土层则用2．5维四边形等参单元来模拟,两者通过共有节点进行集成．同时开发了频率相关黏壶单元来吸收有限单元区域边界上的外射波,从而模拟列车运行荷载产生的波动从近场有限元分析区域向地基无限远处的散射．通过数值求解得到垂直轨道平面内的振动解,再通过沿轨道方向的波数扩展得到轨道和地基振动的时域响应解．为了验证本文方法的正确性和可靠性,针对均匀半空间表面作用移动点荷载的情况与解析解结果进行了对比．基于轨道一地基动力相互作用分析模型,对低于或超过轨道一地基系统临界速度的列车运行情况进行了数值考察;通过分析可知在软土地基上运行高速列车时有可能进入跨音速状态,从而引起轨道结构和地基的共振．这种共振现象危及高速列车的运行安全,同时会加速轨道线路的破坏．     

半无限地基上框架结构动力性态研究

将半无限地基分为远域和近域,分别用超参映射动力无穷元和普通有限元模拟,提出一种上部结构与地基之间的耦合单元,从而建立了该系统的数值分析模型。基于该模型,分析研究了地基远域、地基与结构的弹模比、结构高宽比、以及输入方式对该系统动力特性的影响。计算结果表明：这种影响是明显的。     

高层建筑结构-地基动力互相作用地震反应分析

针对结构与地基体系动力相互作用的影响,改进了高层建筑采用桩筏基础时结构-地基体系动力分析模型;提出了在水平地震作用下定量计算结构振动特性及内力的方法;通过算例分析了考虑结构-地基体系共同作用时,桩基体系动刚度及桩头部位参振土质量的取值变化对结构振动特性及内力的影响,以期定量计算结构振动特性及其内力变化,真实反映结构-地基体系动力相互作用的影响。     

复杂地质条件下某滨海核电厂进水口两侧翼墙抗震安全分析

核电取水区域翼墙结构是核电厂正常运行中不可或缺的枢纽,故其在复杂地质条件下的抗震安全性评价至关重要.以中国滨海某示范快堆工程取水区域为项目背景,基于ANSYS软件及用户可编程特性(user programmable features,UPFs)二次开发工具建立进水口翼墙-地基三维动力相互作用模型,考虑厂址的地基非均质特...     

水坝抗震分析的两种有限元模型比较

以一种实际的芯墙堆石水坝的抗震问题为例 ,比较了把水当作压力边界仅研究坝体的有限元模型和把水、坝体、地基作为一个系统的有限元模型的计算结果 ,分析指出 :把水处理成压力边界的作法实际上弱化了问题的液 -固动力耦合特性 ,不能得到最危险的状态 ;而把水 -坝体 -地基作为一个系统进行分析的有限元模型能反映问题的动力本质     

采用MARC模拟支盘桩-地基-结构动力相互作用体系建模方法

文章以结构-动力相互作用振动台模型试验为基础,结合通用有限元软件MARC,对结构-地基动力相互作用体系进行有限元计算建模的一些问题作了研究。主要包括柔性容器的模拟、网格的划分、对称性的利用、重力的考虑、土体本构模型的选用及模型的非线性模拟等。文章利用上述建模方法,对结构-地基动力相互作用体系的振型曲线和加速度时程曲线进行计算,将模拟结果与试验结果相对照,吻合较好;通过计算分析,验证了简化处理方法的合理性和计算模型的可行性。     

饱和地基轴对称竖向振动有限元-无限元耦合解

根据饱和土弹性波动方程和波的传播特性,建立了饱和地基轴对称竖向振动问题的一种有限元-无限元耦合解法并编制了计算程序;对可蜕化为单相弹性地基的气饱和土(干土)与渗透性很差的水饱和土地基,应用该方法计算了Lamb问题的地表竖向位移,其结果与既有单相弹性地基的理论解吻合良好．所提出方法可为求解层状饱和地基轴对称动力问题、研究饱和土中单桩复合地基动测技术等提供一种较为简便而可靠的分析手段．     

地震与波浪作用下近海风电结构响应及倒塌模式

极端地震作用下近海风电结构反应的数值模拟涉及几方面问题:塔筒-基础-地基-边界系统有限元模型建立的合理与便利性;地震作用联合波浪力作用;不同地震波对风电结构体系不同作用特点.首先,开发了塔筒-复合筒型基础-地基-透射边界的可视化智能建模程序TJU.WPS(Wind Power Structure).然后,计算分析大震和波浪联合作用的风电结构动力响应,研究结构体系的地震反应对波浪力和不同地震波的敏感性;最后,分析超大震作用下风电结构的倒塌破坏模式.结果表明,(1)开发的TJU.WPS程序界面友好方便、快捷、实用可靠;(2)分析并解释了天津波、迁安波和Taft波3种典型地震动及与波浪力共同作用时风机结构振动的频谱特性,强调了波浪力的不容忽视性:与单独输入地震波相比,波浪力能够显著改变结构动力响应功率谱中能量的分布;(3)论述了3种典型地震动作用下风机结构的破坏模式相同点及其区别:超大震作用下风机结构都将脱开地基向上运动,最终回落到地基,但是风机结构脱开地基所需的不同地震波的最小峰值及脱开时刻不同.     

土-结构动力相互作用对橡胶支座隔震结构的影响

采用子结构法,建立了频域内土-结构动力相互作用下的橡胶支座隔震结构的分析模型及相应的运动方程,通过数值仿真2个具有埋置刚性基础的剪切型基础隔震结构的地震反应,并选用多种地基土,较为系统地分析计算了不同地基土参数组合下结构的隔震效果和地震响应.结果表明,设置橡胶支座隔震层可以削弱土-结构动力相互作用对结构动力特性的影响,减小结构相对于场地运动的楼层位移和基底位移.同时,土-结构动力相互作用使橡胶支座隔震效果有所降低,且影响程度与上部结构刚度成正比,与地基土刚度成反比.     

倾斜入射地震下结构-地基的透射边界

为正确反映结构-地基动力相互作用,消除传统固定边界模型将地震能量全部陷入计算模型的不合理现象,该文提出倾斜入射地震下结构-地基动力反应分析的有限元模型及其透射边界.有限元模型由主网格、自由场网格和侧边透射层网格组成,地震以入射平面波形式输入,以入射波运动作为非惯性参考坐标系建立相对运动的动力方程.结构-地基实际反应为相对运动与入射波动之和,算例表明透射边界模型能有效地透射倾斜入射地震下结构-地基动力反应的辐射分量.     

海上风电筒型结构基础层状地基参数优化反演

如何准确建立地基弹性模量与压缩模量的关系已经成为海上风电结构设计与校核过程中关键难题.针对响水海上风电复合筒型基础结构原型数据与地勘资料,提出一种基于MATLAB和ABAQUS的联合仿真方法(MATABA)对筒型基础复杂层状地基参数优化反演分析.首先,开发了以MATLAB粒子群算法为主程序调用ABAQUS进行循环地基参数优化反演的程序;然后,建立三维"风机-塔筒-复合筒型基础-地基"一体化有限元-无限元耦合模型;最后,基于MAT-ABA优化反演得到的参数,对比分析风荷载激励下筒型基础结构的动态响应模拟值与实测值.结果表明,复杂层状地基弹性模量与压缩模量转换系数不同,对比优化反演得到的参数下动力响应模拟值与实测值拟合良好,表明优化反演结果的准确性与可靠性.     

转子系统结构动力修改的灵敏度方法

针对复杂的转子－轴承系统，提出了转子－轴承系统结构动力修改的灵敏度方法，以解决满足转子系统固有频率等设计要求的结构动力特性再设计问题。推导了非对称系统的特征灵敏度公式，并采用奇异值分解法求解结构参数修改量．     

基于线性系统理论的FE-SBFE时域耦合方法

该文提出了一种有限元(FE)比例边界有限元(SBFE)时域耦合方法以分析结构地基动力相互作用问题。通过引入系统实现技术将结构地基相互作用力的卷积表达转化为递推格式,并利用快速特征系统实现算法(FastERA)实现了模型缩减,从而大幅度削减了计算机时。由于每一步近似都可由事先给定的参数加以控制,因而整个算法的精度是可控的。数值算例显示,该文结果与解析解以及前人的经典解答吻合得很好。该文提出的耦合方法可用于大规模实际工程问题的结构地基动力相互作用分析。