地基基础与坝体相互作用体系动力特性分析
详细信息    本馆镜像全文|  推荐本文 |  |   获取CNKI官网全文
摘要
在常规工程动力设计中,常采用刚性地基模型,分析结构的动力特性和动力响应。然而上部结构和地基基础是一个有机整体,人为地将其分开有时会给地震反应计算结果带来较大失真。值得指出的是,地基—结构动力相互作用广泛存在于海洋平台、高层建筑、大坝等领域中,随着这些重大工程的修建,在这方面的研究就更为迫切。本文从有限元、无限元原理出发,结合弹性半空间理论,以广西源口拱坝为例,研究了地基基础与坝体相互作用对坝体动力特性的影响。
     为了对动力相互作用影响有一个直观的认识,作者完成了FORTRAN语言编制的计算大型结构动力特性程序,并采用三维8结点非协调等参单元分析了坝体在刚性地基情况下的动力特性,并在MATLAB、ANSYS中计算了坝体的动位移时程曲线。
     对于弹性地基情况下坝体的动力特性,作者采用了能够反映半无限域介质中位移衰减特性的映射无限元,通过MATLAB、ANSYS、FORTRAN三种计算软件之间数据交换得出了弹性地基下坝体的动力特性,并通过自编Newmark-β法程序计算了坝体在地震荷载作用下动位移响应。
     论文通过比较两种地基情况下的坝体动力特性及动位移时程曲线,得出结论:
    
     广西大学硕士学位论文·地基基础与坝体相互作用体系动力特性分析
    1.与刚性地基下坝体计算结果相比,由于地基的弹性约束作用,坝
    体的自振频率降低,周期延长;且在地震荷载作用下,坝顶最大动位
    移增大。
    L 本文的有限元一无限元耦合分析方法,不仅可以较好地反映波在
    无限域介质中的能量弥散现象,同时大大减小了计算量,与单纯的有
    限元法相比,具有显著的优越性。
In the course of conventional design, rigid foundation model is used usually for analyzing structural properties and dynamic response. But structure and foundation is an organic system, and if separate them artificially, it will lead to considerable torsion to the result of earthquake response. It deserves to be pointed out that interaction of foundation and structure lies extensively in sea-platform, high-building and huge-dam. With construction of these important structures, the research of this field becomes more urgent. The paper research the influence to dynamic property and earthquake response of dam which is situated in YuanKou, GuangXi, brought about by foundation-dam interaction. The study is based on theories of finite and infinite element, at the same time combining the principle of elastic semi-space.
    For having a directly perception to the influence of interaction, the author completes program of calculating huge structure's dynamic properties which worked out by FORTRAN language, and employ 3D incompatible isoparametric element figures out the dam properties in the
    
    
    
    condition of rigid foundation meantime. Further the author calculates dynamic displacement of dam in software of MATLAB, ANSYS.
    As for dam's dynamic properties in condition of elastic foundation, author uses mapping infinite element, which can reflect displacement's property of diminishing in semi-infinite materials. Through exchanging data between three analytic software-MATLAB, ANSYS, FORTRAN, dynamic properties of dam is computed in condition of elastic foundation. And then the dynamic displacement curve is obtained under the load of earthquake with the method of Newmark- b.
    Compared properties and dynamic displacement curve of dam in condition of two foundations, the conclusion is reached:
    1. Contracted with the calculations of dam in rigid foundation, the frequencies are lesson and periods of dam are lengthened because of elastic restraint of foundation. And under earthquake load, the maximum displacement of dam top is larger.
    2. Finite and infinite element coupling method applied in the paper can not only reflect the scattering phenomenon of waves, but also lessen the amount of calculation. It has significant advantage compared with pure finite element method.
引文
[1] 李国豪.工程结构抗震动力学[M].上海:上海科学技术出版社,1980.2.
    [2] 窦立军,杨柏坡,刘光和.土——结构动力相互作用几个实际应用问题[J].世界地震工程,1999,(12):62-68.
    [3] H. Lamb. On the propagation of an elastic solid. Phil. Trans. Roy. Soc. 1904:(203).
    [4] E. Reissner. Stationre, axialsymmetrische durch eine schttelnde masse erregte schwingungen eines homogenen elasticchen halbraumes[J]. Ingenieur-Archiv, 1936, 7(6): 381-396.
    [5] Sung TY. Vibration in semi-infinite solids due to periodic surface loading[J]. ASTM-STP, No. 156, Symposium on Dynamic Testing of Soils. 1953, (156): 35-64.
    [6] Quinlan. P. M. The elastic theory of soil dynamics. Symp. On Dyn. Testing of soils[J]. ASTM-STP, 1987, (156): 33-34.
    [7] Arnold. R. N. Forced vibration ofa body on infinite elastic solid[J]. Appl. Mech, 1995, (248): 391-400.
    [8] Bycroft, G. N. Forced vibration of rigid circular plate on a semi-infinite elastic space and on elastic stratum[J]. Phil. Trans. Roy. soc. London. 1956, (248): 327-368.
    [9] 1964, 2.
    [10] 1964, 2.
    [11] Awojobi. A. O, Grootenhuis, P. Vibration of rigid bodies on semi-infinite elastic media, Proc. Roy. Soc. 1965, (287): 27-63.
    [12] J. E. Luco, R. A. Westmann. Dynamic response of circular footings[J]. Eng, Mech, Div, ASCE. 1971, (97): 1381-1395.
    [13] A. S. Veletsos, V. V. D. Nair. Response of torsionally excited foundations[J]. Geotechnical
    
    engineering, ASCE, 1974, (100): 225-246.
    [14] 1948.
    [15] T. K. Hsieh. Foundation vibration. Proc. Institution of Civil Engineers. 1962, (22): 221-226.
    [16] F.E.小理查德等编著.土与基础的振动[M].北京:中国建筑工业出版社,1976.
    [17] 机械工程手册电机工程手册编辑委员会[M].机械工程手册.北京:机械工业出版社.1979.
    [18] 严人觉,王贻荪,韩消宇.动力基础半空间理论概论[M].北京:中国建筑工业出版社, 1981,3.
    [19] Wong. H. L, Trifunac. M. D. Scattering of plane SH waves by a semi-elliptical canyons. Earth. Eng. Stuc. Dyn. 1974, (3): 157-169.
    [20] Wong. H. L, Luco. J. E. Dynamic response of rigid foundations of arbitrary shape [J]. Earhtq. Eng. Struc. Dyn. 1976, (4): 579-587.
    [21] Jean, W. Y, Lin. t. w. and Penzien. J. System parameters of soil foundation for time domain analysis[J]. Earhtq. Eng. Struc. Dyn. 1990, (19): 541-553.
    [22] J. P. Wolf, Chongmin. Song. Dynmic-stiffness matrix in time domain of unbound medium by infinitesimal finite element cell method. Earthq[J]. Eng. Struc. Dyn. 1994, (23): 1235-1249.
    [23] 栾茂田,林皋.地基动力阻抗的双自由度集总参数模型[J].大连理工大学学报,1996, 36(4):477-481.
    [25] 门玉明,黄义.土—结构动力相互作用问题的研究现状及展望[J].力学与实践,2000,(4):1-7.
    [26] 孙树民.土—结构动力相互作用研究进展[J].中国海洋平台,2001,(10):31-37.
    [27] 张楚汉.结构—地基动力相互作用问题[In].结构与介质相互作用理论及其应用.南京:河海大学出版社,1993,6.243-266.
    [28] 梁青槐.土—结构动力相互作用数值方法的评述[J].北方交通大学学报,1997,(12):690-694.
    [29] 李辉,赖明,白绍良.土—结动力相互作用研究综述(Ⅰ)——研究的历史、现状与展望[J].重庆建筑大学报,1999,(8):112-116.
    [30] 李辉,赖明,白绍良.土—结动力相互作用研究综述(Ⅱ)——研究的历史、现状与展望[J].重庆建筑大学学报,1999,(10):112-116.
    [31] 殷学纲,陈淮,謇开林.结构振动分析的子结构方法[M].中国铁道出版社,1991.9.
    
    
    [32]楼梦麟,赵永利。坝基动力相互作用有限元分析的子结构方法[J].振动工程学报,1994,(6):161-166.
    [33]伯野元彦[日].土木工程振动手册[M].北京:中国铁道出版社,1992.5.
    [34]雷晓燕.岩土工程数值计算[M].中国铁道出版社,1999.11.
    [35]曾余庚,刘京生,张雪阳.边界元法与有限元法[M].西安:西安电子科技大学出版社,1991.12.
    [36]邝国能,熊振南,宋振熊.工程实用边界单元法[M].北京:中国铁道出版社,1989.7.
    [37]王勖成,邵敏.有限单元法基本原理和数值方法[M].北京:清华大学出版社,1997.3.
    [38]朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].北京:中国水利水电出版社,2000.8.
    [39]张允真.简明有限元法[M].辽宁:辽宁科学技术出版社,1984.9.
    [40]Lysmer. J, Kulemeyer. R. L. Finite dynamic model for infinite media[J]. Eng. Mech. Div. ASCE. 1969, (95): 759-877.
    [41]White. W, Valliappan. S. and Lee. I. K. United boundary for finite dynamic models[J]. Eng. Mech. Div. ASCE. 1977, (103): 949-964.
    [42]Smith. W. D. A nonreflecting plane boundary for wave propagation problems[J]. Computational physics, 1974, (15): 492-503.
    [43]Clatton. R, Engquist. B. Absorbing boundary conditions for acoustic and elastic wave equations[J]. Bulletin of the seismological society of America, 1977, (67): 1529-1540.
    [44]廖振鹏,杨柏坡,袁一凡.暂态弹性波分析中人工边界的研究[J].地震工程与工程振动,1982,2(1):1-11.
    [45]廖振鹏,杨柏坡,袁一凡.暂态弹性波分析中人工边界的研究[J].地震工程与工程振动,1982,2(1):1-11.
    [46]R. F. Ungless. An Infinite Finite element. M. A. Sc. Thesis, University of British Columbia. 1973.
    [47]P. Bettess. Infinite elements[J]. Int, J. Numer. Meth. Eng. 1980.
    [48]Bettess P, Zienkie wica O C. Diffraction and refraction of surface waves using finite and infinite elements. Int, J, For Num. Meth.in eng. 1977, (11): 1271-1290.
    [49]赵崇斌,张楚汉,张光斗.映射动力无穷元及其特性研究[J].清华大学学报(自然科学版),1987,(9):1-14.
    
    
    [50]赵崇斌,张楚汉,张光斗.用无穷元模拟半无限平面弹性地基[J].清华大学学报(自然科学版),1986,(3):51-63.
    [51]赵崇斌,张楚汉.无限域波动问题中有限元模型与无限模型差异的定性分析[J].南京水利科学研究院、水利水运科学研究.1990.(6):143-153.
    [52]燕柳斌.结构分析的有限元及无限元方法[M].武汉:武汉工业大学出版社,1998.12.
    [53]张建辉,邓安福,严春风.关于三维无限元的一种新模型[J].重庆建筑大学学报,1998,4.
    [54]陈健云,林皋,林蓓.三维结线动力无穷元[J].计算力学学报,1999.11:453-459.
    [55]秦荣.计算结构动力学[M].广西:广西师范大学出版社[M],2001,2.
    [56]姜忻良,徐余,郑刚.地下隧道—土体系地震反应的有限元与无限元耦合法[J].地震工程与工程振动,1999,(9):23-26.
    [57]张玉娥,牛润明.引入无限元的地铁区间隧道地震反应分析[J].石家庄铁道学院学报,2001.(9):71-74.
    [58]Yan liubin and Bicanic,N.Finite and infinited element method analysis of the Lingmen buttress duttress dam. C/R/5/8/86,University College of Swansea, U.K.1986.
    [59]燕柳斌.映射无限单元法在工程中的应用.中国土木工程计算机应用学会第三届学术会议论文集.北京:冶金出版社,1989:33-37.
    [60]燕柳斌.用三维映射无限元模拟重力坝地基[J].水利学报,1991.10.
    [61]燕柳斌.用三维映射无限土元模拟半空间弹性地基[J].红水河,1990.
    [62]徐连民,林益才,夏颂佑.用有限元和无限元的耦合方法研究坝、水、地基的相互作用问题[J].河海大学学报,1988,(5):227-244.
    [63]段克让,蔡德所.有限元与无限元耦合法计算坝的变形及应力[J].武汉水利电力大学学报,1996,(2):49-53.
    [64]翟瑞彩,吴国福,周建和.有限元无限元耦合法求解直立圆柱上的波浪力[J].天津大学学报,1996,(9):643-678.
    [65]李进.有限元、边界元及其耦合的数据结构[J].宁夏大学学报(自然科学版).1999,(9):232-237.
    [66]刘兴业.土、结构相互作用问题的边界元、有限元耦合法[J].振动工程学报,1994,(3):
    
    45-58.
    [67]肖熙,王秀勇.桶型基础结构与土壤相互作用的有限元—无限元—接触元耦合线性分析[J].海洋工程,2001,(8):25-31.
    [68]王秀勇,王泉,张亭健.有限元无限元接触单元耦合法在桶形基础结构与土壤相互作用分析中的应用[J].黄渤海海洋,2000,(12):56-61.
    [69]金峰,贾伟伟,王光纶.离散元—边界元动力耦合模型在地下结构动力分析中的应用[J].水利学报,2001,(2):24-28.
    [70]蒋建国,周绪红,邹银生等.土——结构动力相互作用研究的发展历程及展望[J].岩土工程界,2001.(6):47-49.
    [71]陈波,吕西林,李培振,陈跃庆.用ANSYS模拟结构——地基动力相互作用振动台试验的建模方法[J].地震工程与工程振动,2002,(2):126-131.
    [72]谭建国.使用ANSYS6.0进行有限元分析[M].北京:北京大学出版社,2002.3.
    [73]美国ANSYS公司.ANSYS入门手册(上、下).北京:美国ANSYS公司北京办事处,1998.
    [74]美国ANSYS公司.ANSYS基本过程手册.北京:美国ANSYS公司北京办事处,1998.
    [75]美国ANSYS公司.建模与分网指南.北京:美国ANSYS公司北京办事处,1998.
    [76]美国ANSYS公司.动力学分析指南.北京:美国ANSYS公司北京办事处,1998.
    [77]谭浩强,田淑清.FORTRAN 77结构化程序设计[M].北京:清华大学出版社,1995.2.
    [78]李丽,王振领.MATLAB工程计算及应用[M].北京:人民邮电出版社,2001.9.
    [79]刘更.结构动力学有限元程序设计[M].北京:国防工业出版社,1993.6.
    [80]R.W克拉夫,J.彭津[美].结构动力学[M].北京:科学出版社,1983.4.
    [81]张相庭,王志培,黄本才,结构振动力学[M].上海:同济大学出版社,1994.5.
    [82]倪振华.振动力学[M].西安:西安交通大学出版社,1989.5.
    [83]Bathe. K. J. and Wilson. E. L. Numerical Methods in Finite Element Analysis[M]. Prentice Hall Inc.1976.
    [84]郭长城.建筑结构振动计算续编[M].北京:中国建筑工业出版社,1992.3.
    [85]孙焕纯,曲乃泗,林家浩.计算结构动力学[M].北京:高等教育出版社,1989.2.
    [86]张汝清,殷学纲,董明.计算结构动力学[M].重庆:重庆大学出版社,1987.7.
    [87]E.欣顿,D.J欧文[英].有限元程序设计[M].北京:新时代出版社,1982.5.
    [88]杨菊生,揽生瑞.有限元法程序设计[M].西安:西安交通大学出版社,1990.6.
    [89]Iron. B. M. A frontal solution program for finite element
    
    analysis[M]. Int. J. Num. Meth. Engng, 1970, (2): 5-32.
    [90]川井忠彦[日].振动矩阵分析方法[M],北京:中国建筑工业出版社,1982.2.
    [91]窦兴旺.重力坝——库水——地基动力相互作用研究及应用[Dissertation].南京:河海大学博士论文,1993.7.
    [92]任宏业.双曲拱坝坝——水——地基动力相互作用的研究[Dissertation].南京:河海大学博士论文,1993.7.
    [93]R. W. Clough. Concrete dams: influence of response nonlinearities. University of Califomia, Berkeley California.
    [94]R. W. Clough, K. T. Chang, H. Q. Chen, et. al. Dynamic interaction effects in arch dams. University of California, Berkeley Califomia. June, 1985.
    [95]胡聿贤.地震工程学[M].北京:地震出版社,1988.8.
    [96]R. W. Clough, J. Penzien. Dynamics of structures. McGraw-Hill, 1975.
    [97]秦荣,燕柳斌,谢肖礼.水—拱坝—地基耦合体系的分析方法[In].结构与介质相互作用理论及其应用.河海大学出版社,1993,6.
    [98]宋雅桐,朱继澄.结构分析程序设计[M].南京:东南大学出版社,1990.6.

© 2004-2018 中国地质图书馆版权所有 京ICP备05064691号 京公网安备11010802017129号

地址:北京市海淀区学院路29号 邮编:100083

电话:办公室:(+86 10)66554848;文献借阅、咨询服务、科技查新:66554700