摘要:

近海风力发电结构是由无限域地基、基础及上部结构组成的体系，有限域透射人工边界和地震动输入模式直接影响结构体系的动力响应。首先，建立透射人工边界-地基-基础-塔筒结构和固定边界-地基-基础-塔筒结构的有限元模型；然后，简要澄清了透射边界地震动输入之所以采用外力而不采取地震动物理量（加速度、速度和位移）的原因所在；最后，对给出的3种作用模式：（1）固定边界地震动输入，（2）只考虑外源输入波作用，（3）同时考虑外源输入波和内源振动的散射波作用，分别进行计算分析和比较。通过数值计算并结合理论分析，（1）澄清了对透射边界采用外力进行地震激励输入的方法的原因，这种输入方法合理可靠，符合实际情况；（2）在地震波等效荷载的生成中，针对圆形横截面地基提出了一种阻尼力、刚度力的便捷性生成方法，大大减小了工作量；（3）从自身振动特点及阻尼设置角度，解释了地震作用下采用透射边界比采用固定边界时风电结构响应减小的原因；（4）指出了地震作用下透射边界地基模型在结构动力响应与倒塌计算中内源振动反射的不容忽视性。

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基于土-水两相混合体完全耦合场方程及土体静-动统一本构,构建了新型普适性土层弹塑性大变形地震反应分析方法.考虑强震中土体大变形动力特性描述的困难,基于客观性张量推导,给出了严格的土-水两相混合体平衡方程式和连续方程式,分别进行空间和时间离散,编制了显式有限元-有限差分程序.通过超固结、结构性和应力诱导各向异性状态变量的引入,建立了物理意义明确的土体静-动统一本构,能够合理的表征土体的各类力学特性.数值计算中采用转换应力法,实现了试验应力状态向一般应力状态的拓展,满足复杂三维地层的动力计算需求.通过局部透射人工边界的设置,形成了辐射边界条件,构建了完备的土层反应程序.将分析结果与等效线性化方法和单相介质时域非线性分析结果进行对比,指出饱水砂土层的存在对地震波传播和地表地震动反应特性的影响.

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为进一步研究波动模拟中透射边界存在的反射放大失稳现象,本文针对透射边界在SH波动模拟中的应用,基于透射边界反射系数,揭示了透射边界引发的反射放大失稳规律.论证了此类失稳与具体的内域离散格式无关,仅是人工波速选择不当所致,并给出了合理的人工波速取值范围以避免失稳,同时指出了引起失稳的波动为数值模拟中无意义的成分.本文研究结果适用于一维、二维和三维SH波动,并对于在多维情况下认识和避免反射放大失稳具有重要意义.

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高阶双渐近透射边界发展于改进比例边界有限单元法和连分式解,实现了时域局部化,获得在全频域范围内快速收敛的动力刚度准确解,兼具高精度和效率.本文将该边界推广应用到复杂层状地基弹性波传播问题,并与有限元耦合构建出一种隧洞-层状地基动力响应的时域耦合模型.耦合模型划分为近场与远场,其中,近场采用有限元单元离散,远场采用高阶双渐近透射边界模拟.通过数值算例分析上述耦合模型,结果表明:耦合模型计算结果稳定,与扩展网格解具有良好的一致性,同时兼顾精度与效率,适用于长时间的地震响应时域研究.该模型为研究地震动下隧洞-层状地基相互作用提供新的思路,可进一步用于实际工程中.

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无限地基的能量辐射效应是影响拱坝地震反应的一个重要因素.本文提出将一种新的黏弹性人工边界结合显式有限元的时域波动求解方法用于拱坝-地基系统的地震反应分析,地震动输入通过分别将底边界入射位移时程和侧边界自由场时程对应的解析应力时程作为边界荷载实现.该方法具有较高的计算精度,且不存在高、低频计算失稳问题.文中以小湾拱坝地震反应分析为例,比较了透射边界、黏弹性边界两种计算方法的计算结果,论证了本文建议方法的有效性.

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近海风力发电结构是由无限域地基、基础及上部结构组成的体系，有限域透射人工边界和地震动输入模式直接影响结构体系的动力响应。首先，建立透射人工边界-地基-基础-塔筒结构和固定边界-地基-基础-塔筒结构的有限元模型；然后，简要澄清了透射边界地震动输入之所以采用外力而不采取地震动物理量（加速度、速度和位移）的原因所在；最后，对给出的3种作用模式：（1）固定边界地震动输入，（2）只考虑外源输入波作用，（3）同时考虑外源输入波和内源振动的散射波作用，分别进行计算分析和比较。通过数值计算并结合理论分析，（1）澄清了对透射边界采用外力进行地震激励输入的方法的原因，这种输入方法合理可靠，符合实际情况；（2）在地震波等效荷载的生成中，针对圆形横截面地基提出了一种阻尼力、刚度力的便捷性生成方法，大大减小了工作量；（3）从自身振动特点及阻尼设置角度，解释了地震作用下采用透射边界比采用固定边界时风电结构响应减小的原因；（4）指出了地震作用下透射边界地基模型在结构动力响应与倒塌计算中内源振动反射的不容忽视性。