單向?qū)崪y(cè)地震波作用下大直徑圓筒結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析

單向?qū)崪y(cè)地震波作用下大直徑圓筒結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析

大直徑圓的結(jié)構(gòu)與無底、無框架的圓形沉淀池結(jié)構(gòu)相似?？梢越ㄔ诨埠陀材旧?，也可以直接融入軟土壤。利用氣體內(nèi)填充土壤，以保持氣體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)荷載合理，施工速度快，施工成本低。它特別適用于軟土基的港口水工建筑物，如橋墩、防波堤、海堤等。大直徑圓筒結(jié)構(gòu)作為一種特殊的結(jié)構(gòu)型式,與其他結(jié)構(gòu)的最大不同之處就是筒體施工完成后,在其內(nèi)部填有非線性材料—土。迄今為此,筒體與筒內(nèi)外土體相互作用的機(jī)理仍不明確,有關(guān)筒體與筒內(nèi)外土體相互作用機(jī)理的研究大多停留在模型實(shí)驗(yàn)、靜力分析過程中,研究成果不多,至于大直徑圓筒結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析研究得更少。因此,本文擬結(jié)合實(shí)測(cè)地震波,模擬筒土結(jié)合的力學(xué)性狀,進(jìn)行地震數(shù)值模擬和定性分析,為大直徑圓筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。1數(shù)值分析的模型1.1材料模型與材料參數(shù)大直徑圓筒結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土材料,筒體高度25m,外徑10m,厚度0.5m,沉入深度10m,見圖1。土體的本構(gòu)模型采用能夠較好反映土體非線性特性的Drueker-Prager理想彈塑性模型。具體材料參數(shù)見表1。土阻尼為Rayleigh阻尼式中:α——質(zhì)量比例阻尼β——?jiǎng)偠缺壤枘崮Ｐ椭笑翞?00,β為0。1.2地表周邊地區(qū)位移地表采用自由界面;基礎(chǔ)底部采用豎向約束;地表四周近似無限的,遠(yuǎn)場(chǎng)域處的位移假定為線性分布,無限遠(yuǎn)處的位移為零,采用彈性本構(gòu)模型,利用無限元模擬。1.3土體接觸模型土體與筒體的接觸行為是高度非線性的,為合理模擬土體與筒體的相互作用,在土體與筒壁的接觸區(qū)域采用主從接觸面模型,模擬土體與筒體之間的脫離、滑移和黏合等現(xiàn)象。動(dòng)力接觸,切向采用罰函數(shù)接觸,罰函數(shù)值:ki——接觸剛度因子;Δi——穿透深度(接觸間隙)。法向?yàn)橛步佑|。為了高效準(zhǔn)確地模擬土體與筒體接觸面上動(dòng)接觸特性和滑移的現(xiàn)象,采用ABAQUS軟件提供的有限滑移功能,這樣,模型即使有一定程度的滑移仍能夠收斂。1.4彈塑性單元模擬靠近筒體的近場(chǎng)域的能量密度和土體變形較大,土體塑性區(qū)也集中在近場(chǎng)域中,所以近場(chǎng)域土體和筒內(nèi)土體作為主要分析區(qū)域,需要考慮非線性,用彈塑性單元模擬,即三維八節(jié)點(diǎn)實(shí)體減縮積分單元(C3D8R)。四周水平無限遠(yuǎn)場(chǎng)域土體采用三維八節(jié)點(diǎn)實(shí)體水平無限元單元(CIN3D8)模擬,見圖2。2abaqus軟件顯式時(shí)間積分總應(yīng)力分析一般用不考慮滲流固結(jié)的情況,如飽和粗粒土地基、強(qiáng)透水性土料路堤以及軟粘土地基短期變形和穩(wěn)定分析,本文只分析地震過程中的響應(yīng),不作震后穩(wěn)定分析,所以用總應(yīng)力分析法分析,其動(dòng)力方程式如下:式中,{U}——結(jié)點(diǎn)位移向量;{F(t)}——結(jié)點(diǎn)地震荷載向量;[M]——質(zhì)量矩陣;[C]——阻尼矩陣;[K]——?jiǎng)偠染仃嚒BAQUS軟件ABAQUS/Explicit求解器進(jìn)行求解分析時(shí)。對(duì)方程式(1)采用中心差分法進(jìn)行顯式時(shí)間積分,動(dòng)力方程轉(zhuǎn)為:顯式算法采用一個(gè)對(duì)角的或者集中的質(zhì)量矩陣,所以求解加速度并不復(fù)雜,不必同時(shí)求解聯(lián)立方程。任何節(jié)點(diǎn)的加速度完全取決于節(jié)點(diǎn)質(zhì)量和作用在節(jié)點(diǎn)上的合力,使得節(jié)點(diǎn)計(jì)算成本非常低。雖然顯式分析需要很小的時(shí)間增量步,模擬需要的增量步很多,但它僅依賴于模型的最高固有頻率,與荷載的類型與持續(xù)時(shí)間無關(guān),所以每個(gè)增量步成本相對(duì)較低,求解速度較快。3水平的0.4g從基礎(chǔ)底部30m處輸入印度koyna實(shí)測(cè)地震波,最大加速度為0.4g,時(shí)間間隔為0.01s,烈度相當(dāng)于9度,波形如圖3,沿水平a1方向傳遞。得到筒內(nèi)外土體、筒體動(dòng)力響應(yīng)以及整體模型的能量變化規(guī)律,具體計(jì)算結(jié)果見圖4～圖16。3.1計(jì)算3.1.1筒外土體響應(yīng)3.1.1.1加速度響應(yīng)3.1.1.2速度和位移3.1.3筒體響應(yīng)3.1.4整體模型的能量3.2結(jié)果分析3.2.1筒體周邊沿豎直方向發(fā)展比較圖3和圖4,地基土體對(duì)輸入加速度有放大作用,時(shí)間稍有滯后;圖4中加速度最大值為0.8,對(duì)應(yīng)地表烈度為6度。在筒體附近沿豎直方向取三個(gè)觀察點(diǎn)如圖5,得到相應(yīng)響應(yīng)速度和位移曲線如圖6到圖8。分析圖6和圖7,響應(yīng)速度和位移在地基中無論是趨勢(shì)還是幅值變化都是非常相似的,趨勢(shì)由下到上是減弱的;而且位移稍滯后于速度。圖8中,地表點(diǎn)觀察點(diǎn)由于同時(shí)受底下地震影響同時(shí)還受筒體的響應(yīng)影響,所以無論是響應(yīng)速度還是位移都增大了,而且時(shí)程峰值與筒體以下的觀察點(diǎn)也不盡相同。3.2.2生活質(zhì)量變化在筒內(nèi)土體中心位置分別在筒上頂、與外部土體水平面持平位置和筒底部取三個(gè)觀察點(diǎn)如圖9,得到位移曲線結(jié)果如圖11。圖10中的加速度響應(yīng)曲線峰值比地表加速度響應(yīng)曲線峰值更加滯后,數(shù)值相近,對(duì)應(yīng)烈度也是6度。由于筒土的相互作用,響應(yīng)曲線的從第七秒開始沒有像地表加速度響應(yīng)曲線一樣幅值收斂變小,而是有一定的發(fā)散。圖11中位移波動(dòng)最大的是筒頂部,然后到中間觀察點(diǎn)位置,最小的是筒底部?？梢?筒內(nèi)土波動(dòng)由上頂向下減弱;而筒底部土體位移方向與中間觀察點(diǎn)以上土體位移方向是相反的,說明在中間觀察點(diǎn)與筒底之間存在一個(gè)旋轉(zhuǎn)點(diǎn),整個(gè)筒內(nèi)土體圍繞著它轉(zhuǎn)動(dòng)。圖12中可以看出,前半段筒壁和土體接觸處的速度和位移響應(yīng)趨勢(shì)還是和非接觸面的觀察點(diǎn)響應(yīng)曲線是相似的;后半段,特別是對(duì)應(yīng)加速度響應(yīng)的第二個(gè)峰值后速度響應(yīng)變得復(fù)雜化,是因?yàn)橥矁?nèi)土體與筒壁出現(xiàn)了反復(fù)的黏結(jié)、脫離和閉合現(xiàn)象。3.2.3應(yīng)力分布過于集中,未充分利用應(yīng)力分布從前面筒內(nèi)的分析可得知,筒體的最大位移也是在自由端。應(yīng)力方面,從模型應(yīng)力矢量圖中可以看出,模型中最大應(yīng)力區(qū)在筒體底部附近,筒體的最大應(yīng)力也在該區(qū)域,這點(diǎn)在筒體的應(yīng)力云圖得以驗(yàn)證;筒體應(yīng)力由下向上減弱,同時(shí),筒體在單向地震波作用下,筒底環(huán)向的應(yīng)力不是均勻分布的,即存在環(huán)向彎矩。3.2.4加速度場(chǎng)與擾動(dòng)波時(shí)程曲線整體模型的能量平衡方程如下:式中,為內(nèi)能,為粘性耗散能,就摩擦耗散能,是動(dòng)能,是外加載荷所做的功,能量總和。從整個(gè)模型的動(dòng)能時(shí)程曲線可以看出,動(dòng)能曲線峰值變化與震動(dòng)波時(shí)程曲線是非常吻合的。但動(dòng)能隨加速度曲線減弱并不明顯,說明系統(tǒng)的阻尼顯得較為小些。從偽應(yīng)變能圖中看出偽應(yīng)變能值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于內(nèi)能值,沒有超過內(nèi)能的10%,表明模型的網(wǎng)格劃分是合理的。4波傳遞方向和筒壁位移通過對(duì)大直徑圓筒結(jié)構(gòu)在單向地震波作用下的地震響應(yīng)分析,得到結(jié)