• ISSN 1673-5722
  • CN 11-5429/P

土-结构相互作用分析中几类地震输入方式的比较

赵密 王利涛 高志懂 杜修力 黄景琦

赵密, 王利涛, 高志懂, 杜修力, 黄景琦. 土-结构相互作用分析中几类地震输入方式的比较[J]. 震灾防御技术, 2017, 12(3): 589-598. doi: 10.11899/zzfy20170315
引用本文: 赵密, 王利涛, 高志懂, 杜修力, 黄景琦. 土-结构相互作用分析中几类地震输入方式的比较[J]. 震灾防御技术, 2017, 12(3): 589-598. doi: 10.11899/zzfy20170315
Zhao Mi, Wang Litao, Gao Zhidong, Du Xiuli, Huang Jingqi. Comparison of Earthquake Input Methods in Soil-structure Interaction Analysis[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 2017, 12(3): 589-598. doi: 10.11899/zzfy20170315
Citation: Zhao Mi, Wang Litao, Gao Zhidong, Du Xiuli, Huang Jingqi. Comparison of Earthquake Input Methods in Soil-structure Interaction Analysis[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 2017, 12(3): 589-598. doi: 10.11899/zzfy20170315

土-结构相互作用分析中几类地震输入方式的比较

doi: 10.11899/zzfy20170315
基金项目: 

国家973计划项目 2015CB057902

国家自然科学基金项目 51678015

详细信息
    作者简介:

    赵密, 男, 生于1980年。教授。主要从事重大工程抗震研究。E-mail:zhaomi@bjut.edu.cn

Comparison of Earthquake Input Methods in Soil-structure Interaction Analysis

  • 摘要: 地震作用下土-结构动力相互作用的整体有限元分析需要在人工边界处输入地震动。目前可能采用的地震输入方法包括黏弹性边界自由场输入方法、自由场应力方法、自由场位移方法以及侧边界自由方法。由于采用近似人工边界条件或者未完全考虑地震自由场,上述地震输入方法均为近似方法。本文以大开地铁车站二维有限元分析为例,根据规范建议的边界位置,研究了上述地震输入方法的精度,研究成果可为土-结构相互作用分析的合理地震输入提供一定参考。
  • 图  1  地震作用下土-结构相互作用分析模型示意图

    Figure  1.  Dynamic soil-structure interaction model under earthquake

    图  2  大开车站的几何常数

    Figure  2.  Geometry constants of the structure

    图  3  入射地震动时程

    Figure  3.  Time histories of incident earthquakes

    图  4  大开车站的土-结构系统有限元模型

    Figure  4.  Finite element model of soil-structure system of Daikai station

    图  5  黏弹性边界自由场输入方法的计算结果(采用文献(刘晶波等,2005a)的黏弹性边界)

    Figure  5.  Results of the free field input method based on viscous-spring boundary (after Liu et al., 2005a)

    图  6  黏弹性边界自由场输入方法的计算结果(采用文献(杜修力等,2006a)的黏弹性边界)

    Figure  6.  Results of the free field input method based on viscous-spring boundary (from Du et al., 2006)

    图  7  黏弹性边界自由场输入方法的计算结果

    Figure  7.  Results of the free field input method based on viscous-spring boundary

    图  8  土-结构相互作用与自由场分析在左侧人工边界深度5.1m处的水平位移

    Figure  8.  Horizontal displacement at depth 5.1m of left artificial boundary from soil-structure interaction and free field analyses

    图  9  自由场应力方法和自由场位移方法的计算结果

    Figure  9.  Results of the free field stress and displacement methods

    图  10  左侧人工边界深度5.1m处水平位移频谱(自由场应力法和自由场位移法)

    Figure  10.  Horizontal displacement spectrum at depth 5.1m of left artificial boundary based on the free field stress and displacement methods

    图  11  侧边界自由方法的计算结果

    Figure  11.  Results from the free lateral boundary method

    图  12  左侧人工边界深度5.1m处水平位移频谱(侧边界自由方法)

    Figure  12.  Horizontal displacements spectrum at depth 5.1m of left artificial boundary based on the free lateral boundary method

    表  1  场地的几何及材料常数

    Table  1.   Geometry and material constants of the site

    土层 深度/m 密度/kg·m-3 弹性模量/MPa 泊松比
    1 0—1.0 1900 99.3 0.333
    2 1.0—5.1 1900 110.0 0.488
    3 5.1—8.3 1900 164.0 0.493
    4 8.3—11.5 1900 204.0 0.494
    5 11.5—17.3 1900 326.0 0.490
    6 17.3—39.3 2000 648.0 0.487
    7 39.3—∞ 2100 1540.0 0.470
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    表  2  黏弹性边界的常数

    Table  2.   Constants of the viscous-spring boundary

    参考文献 边界法向均布弹簧常数 边界切向均布弹簧常数 边界法向均布阻尼常数 边界切向均布阻尼常数
    刘晶波等,2005a $\frac{2G}{r}$ $\frac{3G}{2r}$ $\rho {{c}_{\text{P}}}$ $\rho {{c}_{\text{S}}}$
    杜修力等,2006a $\frac{\lambda +2G}{3.6r}$ $\frac{G}{3.6r}$ $1.1\rho {{c}_{\text{P}}}$ $1.1\rho {{c}_{\text{S}}}$
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  • 包锐, 周叮, 刘伟庆等, 2013.粘弹性人工边界及其在盆地地震效应研究中的应用.世界地震工程, 29(4):133-140. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SJDC201304021.htm
    陈灯红, 杜成斌, 苑举卫, 2010.基于ABAQUS的粘弹性边界单元及在重力坝抗震分析中的应用.世界地震工程, 26(3):127-132. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SJDC201003021.htm
    杜修力, 2000.局部解耦的时域波分析方法.世界地震工程, 16(3):22-26. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SJDC200003005.htm
    杜修力, 赵密, 王进廷, 2006a.近场波动模拟的人工应力边界条件.力学学报, 38(1):49-56. http://youxian.cnki.com.cn/yxdetail.aspx?filename=LXXB20170818000&dbname=CAPJ2015
    杜修力, 赵密, 2006b.基于黏弹性边界的拱坝地震反应分析方法.水利学报, 37(9):1063-1069. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB200609005.htm
    杜修力, 2009.工程波动理论与方法.北京:科学出版社, 1-444.
    廖振鹏, 2002.工程波动理论导论.2版.北京:科学出版社, 1-298.
    刘晶波, 吕彦东, 1998.结构-地基动力相互作用问题分析的一种直接方法.土木工程学报, 31(3):55-64. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TMGC199803008.htm
    刘晶波, 王振宇, 杜修力等, 2005a.波动问题中的三维时域粘弹性人工边界.工程力学, 22(6):46-51. http://youxian.cnki.com.cn/yxdetail.aspx?filename=LXXB20170818000&dbname=CAPJ2015
    刘晶波, 李彬, 2005b.三维黏弹性静-动力统一人工边界.中国科学E辑工程科学材料科学, 35(9):966-980. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JEXK200509008.htm
    张楚汉, 2001.混凝土坝-地基-库水系统的数值模拟.北京:清华大学出版社.
    赵密, 杜修力, 刘晶波, 2012.一种高阶精度人工边界条件:出平面外域波动问题.工程力学, 29(4):7-14. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCLX201204004.htm
    Bermúdez A., Hervella-Nieto L., Prieto A., et al., 2010. Perfectly matched layers for time-harmonic second order elliptic problems. Archives of Computational Methods in Engineering, 17(1):77-107. doi: 10.1007/s11831-010-9041-6
    Deeks A., Randolph M., 1994. Axisymmetric dynamic time-domain transmitting boundaries. Journal of Engineering Mechanics, 120(1):25-42. doi: 10.1061/(ASCE)0733-9399(1994)120:1(25)
    Du X. L., Zhao M., 2010a. A local time-domain transmitting boundary for simulating cylindrical elastic wave propagation in infinite media. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 30(10):937-946. doi: 10.1016/j.soildyn.2010.04.004
    Du X. L., Zhao M., 2010b. Stability and identification for rational approximation of frequency response function of unbounded soil. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 39(2):165-186. http://www.iitk.ac.in/nicee/wcee/article/14_14-0292.PDF
    Givoli D., 2004. High-order local non-reflecting boundary conditions:a review. Wave Motion, 39(4):319-326. doi: 10.1016/j.wavemoti.2003.12.004
    Liao Z. P., Wong H. L., 1984. A transmitting boundary for the numerical simulation of elastic wave propagation. International Journal of Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 3(4):174-183. doi: 10.1016/0261-7277(84)90033-0
    Lysmer J., Kuhlemeyer R. L., 1969. Finite dynamic model for infinite media. Journal of the Engineering Mechanics Division, 95(4):859-878.
    Wolf J. P., 1985. Dynamic soil-structure interaction. New Jersey:Prentice-Hall.
    Wolf J. P., 1988. Soil-structure-interaction analysis in time domain. New Jersey:Prentice-Hall.
    Wolf J. P., 2003. The scaled boundary finite element method. New York:John Wiley & Sons Inc.
    Zhao C. B., 2009. Dynamic and transient infinite elements:theory and geophysical, geotechnical and geoenvironmental applications. Berlin Heidelberg:Springer.
    Zhao M., Du X. L., Liu J. B., et al., 2011. Explicit finite element artificial boundary scheme for transient scalar waves in two-dimensional unbounded waveguide. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 87(11):1074-1104. doi: 10.1002/nme.3147
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-04-24
  • 刊出日期:  2017-09-01

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