P波垂直入射下海域岛礁场地动力反应分析

该文重点研究P波垂直入射时海域岛礁场地的地震反应。截取包含岛礁礁体、海水以及下部基岩的近场计算域建立有限元模型,利用流体介质动力人工边界和一致粘弹性人工边界单元模拟无限海水介质与半无限地基的波动辐射效应。基于介质波动理论推导得到了P波垂直入射时含上覆水层的半空间自由场理论解,并利用基于人工边界子结构的地震波动输入方法,将该自由场运动转化为等效地震输入荷载,从而实现了海域岛礁场地P波垂直输入。通过算例分析,验证了该文模型与方法的准确性。并利用该地震反应分析模型研究海水与礁体的耦合作用以及水体中的波动输入对海域岛礁场地地震反应的影响。该研究可为海域场地地震反应分析提供一定的理论指导和方法借鉴。     

流-固耦合作用下斜坡式防波堤地震动力响应分析

针对地震过程中海水-防波堤-地基的耦合效应,结合某沿海斜坡式防波堤,建立了海水-防波堤-地基系统有限元模型,应用任意拉格朗日欧拉方法以及显式动态有限元方法,对真实地震过程中的防波堤系统动力响应进行了仿真,给出了流-固耦合作用下,不同地震激励的防波堤残余变形以及地震过程中的动水压力时程。研究结果表明:考虑流-固耦合作用对防波堤残余变形响应有较显著影响,且水平向残余变形受影响程度大于竖直向残余变形;地震过程中的动水压力主要受海水主频以及地震激励卓越频率的影响。研究结果可为防波堤设计、安全评价和抗震措施研究提供了理论基础。     

阶梯地形成层场地的斜入射地震动输入方法

基于黏性边界和地震动斜入射时水平成层场地反应算法,发展了一种阶梯地形成层场地的斜入射地震动输入方法,即两个侧面人工边界处采用各自高度水平成层场地的自由场反应作为输入,底面人工边界处采用入射波场作为输入。由于该方法是近似地震动输入方法,分析了人工边界位置、输入地震动、地震动入射角度、地表斜坡倾角及场地分层特性变化对该方法精度的影响。结果表明,平面SV地震波输入条件下,针对该文研究的各种工况,地表最大位移峰值误差均小于5%,说明提出的斜入射地震动输入方法精度较高,可用于阶梯地形成层场地的地震反应分析。     

地裂缝场地地铁车站振动台试验和数值模拟研究EI北大核心CSCD

地裂缝场地动力效应和上、下盘错动严重影响地下结构的安全。以处于地裂缝环境的西安康复路地铁车站为研究对象,开展了水平和竖向地震共同作用下地裂缝场地地铁车站振动台试验,分析了模型土与车站的加速度反应规律及模型车站应变分布特征。同时,采用有限元软件ABAQUS建立有无地裂缝场地条件下车站的三维数值模型,研究了2类场地条件下地铁车站层间位移角和地震损伤分布规律。结果表明:水平和竖向地震共同作用时,地裂缝场地上、下盘动力差异响应和车站加速度反应较单向水平地震作用时明显增大。相较于无地裂缝场地车站,地裂缝场地车站的层间位移角明显增大,其构件损伤发展更加剧烈。这是由于地裂缝场地土与车站之间易出现脱空区,造成车站振动反应增强;同时,竖向地震引起的地裂缝场地上下盘错动会产生对车站附加的剪切作用,使其中柱更易发生严重损伤而导致结构整体破坏。     

土体液化大位移条件下群桩动力反应振动台模型试验

设计并开展了可液化场地群桩基础大型振动台模型试验,再现了倾斜场地土体液化、流滑以及桩基倾斜等宏观现象,分析了场地土体及桩基结构地震反应特征。结果表明:群桩存在时的液化倾斜场地流滑可区分为局部流滑和整体流滑两个阶段;倾斜场地土体中的振动孔隙水压力演变过程和空间分布受土体流滑影响,桩间土相对不易液化;斜坡倾角越大,土体侧向大位移可引起更大的桩侧动土压力反应和桩基承台偏移量。但是,该文试验结果表明,桩基结构的倾斜在一定程度上弱化了其内力反应;无论是倾斜场地还是水平场地,桩身弯矩最大值均出现在非液化土层与液化土层分界面附近。     

SV波斜入射下河谷地形地震动分布特征分析

基于黏弹性边界结合等效荷载的输入方法,实现了平面SV波斜入射的地震动输入。研究了SV波入射角度和河谷斜坡坡度对河谷场地地震动放大系数分布特征的影响。结果表明:地震波入射角度和斜坡坡度越大,斜坡坡面以及坡顶平台一定范围内的地震动放大系数越大,坡顶平台的影响宽度也越大;地震波从左侧倾斜入射时,河谷两岸地震动放大系数呈不对称形式分布,且入射角度越大,河谷左岸x分量的地震动放大系数越大,河谷右岸z分量的地震动放大系数越大,不对称现象越明显;以不同角度入射时,坡顶处地震动放大系数和坡顶平台影响区域均随坡度的增大呈线性增大趋势;入射角度与斜坡坡度越大,坡顶处水平加速度反应谱越大,反应谱峰值有向右偏移的趋势。     

水平土层地震响应地面峰值加速度可靠度研究

针对地震随机性及场地条件随机性两种不确定影响下地面峰值加速度(ground peak acceleration, GPA)可靠性问题,该研究基于等效场地剪切波速的概率分布,推导了水平成层地基场地地震响应地面峰值加速度解析解的表达式,得出了场地地面峰值加速度的概率密度分布函数。通过收集到的浙江某科技城100例场地土层实测数据,用Flac3D软件模拟分析了场地地面峰值加速度数值解,拟合了场地地面峰值加速度的概率密度分布函数,在此基础上,给出了场地地面峰值加速度在任意可靠度水平下的置信区间方程。结果表明,不管是解析分析还是数值分析,得到的水平成层地基场地地震响应地面峰值加速度都符合正态分布,且由解析分析得到的地震响应地面峰值加速度置信区间最大允许偏差值较由数值分析得到的最大允许偏差少,由数值分析得到的地面峰值加速度较由解析分析得到的地面峰值加速度分布更离散。     

地下水位对核电结构地震反应的影响分析

核电结构大多沿海或沿江、河而建,在地下水位以下,土体孔隙中的流体对土层的地震响应有较大影响,进而影响核电结构的响应。本文采用饱和多孔介质模型,考虑土-结相互作用效应,分析地下水位对核电结构地震反应的影响。通过传递矩阵方法,得到干土-饱和土水平成层场地的自由场,并结合透射人工边界,实现土-结相互作用分析的波动输入;采用土-结相互作用的分区并行计算方法,实现饱和土和结构相互作用分析。其中,含地下水位的场地土体采用广义饱和多孔介质模型描述,通过自编FORTRAN程序用集中质量显式有限元结合透射人工边界进行模拟,结构通过ANSYS中的隐式有限元进行分析。以某一核电结构为例,分析了0,-10,-20,-30,-40 m不同地下水位的五种场地上,土-基础-核电结构体系的动力响应。结果表明,地下水位对基础和结构的位移影响不大,对加速度的影响较大。     

Rayleigh波作用下桩-土-桥梁结构动力相互作用问题研究

基于等效粘弹性人工边界单元建立了可考虑成层介质及Rayleigh波输入的二维有限元时域模型,计算了Rayleigh波作用下成层介质与均匀介质的自由场反应,与理论解比较表明有限元计算结果具有较好的工程精度。针对Rayleigh波作用下桩-土-典型刚构桥梁结构动力反应进行了分析,考虑了场地条件的不同、软夹层位置的改变、不同频率Rayleigh波的输入以及桩长对Rayleigh波传播与场地地震反应的影响,对影响因素进行了讨论。     

社区尺度斜入射波场下场地-建筑群耦合作用模拟方法

场地-城市相互作用(site-city interaction, SCI)效应会显著改变场地地震波场分布及建筑反应,基于SCI效应理论计算研究方法的发展现状,发挥谱元(spectral element, SE)法可快速高效求解三维地震波场传播和多自由度(multi-degree of freedom, MDOF)模型计算量小且可同时模拟大量建筑的优势,同时,结合频率波数域(frequency wave number analysis, FK)方法,以等效地震荷载的方式施加地震波场,建立了FK-SE-MDOF耦合方法,实现了SE-MDOF耦合模型中多种波型(P波、SV波和SH波)的斜入射输入,解决了当前三维SCI效应研究方法中未能同时考虑建筑非线性、频谱特性、地震波波型及入射角度影响的问题。首先对方法原理进行了介绍;然后,通过与振动台试验的对比,验证了方法的正确性;进而,采用该方法建立理想场地-城市建筑群相互作用耦合模型,主要探讨了入射角度和地震波波型对SCI效应的影响,得到了一些有益结论。该方法较为真实地反映SCI效应影响的同时,可反映建筑基础轮廓对地震波场的影响,适用于需考虑建筑轮廓...     

斜入射下水下地基场地地震输入的一维化时域方法

地震波斜入射下水下地基场地地震动输入问题,是涉及水层、饱和多孔介质和基岩三种不同性质介质耦合的复杂问题,目前理论成果还很匮乏。该文在现有的成层饱和多孔介质平面波斜入射的一维化时域方法的基础上,建立了水下地基场地的一维化时域计算方法。该计算方法依据Snell定理,将地震波斜入射下水层波动的空间二维问题转化为简单的一维问题,通过考虑水层与饱和多孔介质层交界面、不同饱和多孔介质交界面以及基岩与饱和多孔介质层交界面的边界条件,将已有的成层饱和土的一维化有限元方程与水层的一维化有限元方程组装,采用单相弹性介质精确人工边界条件模拟基岩半空间的波动辐射和输入特征,形成了水下地基场地的整体有限元方程,借助于中心差分法和Newmark法相结合的时步积分法,推导了地震波斜入射下水下地基场地各节点动力响应时程的显式表达式。通过与傅里叶变换得到的理论解和现有的文献进行了对比,初步验证了该文时域算法的有效性和精度,为地震波斜入射下水下地基场地地震动输入提供了一种新型高效的研究方法。     

饱和砂土场地中地铁车站结构地震易损性分析

为进一步研究饱和砂土场地中地铁车站结构地震易损性问题,以某单层双跨地铁车站为研究对象,综合考虑场地类别、地震动不确定性的影响,采用u-p格式饱和两相介质有效应力动力求解方法,建立饱和砂土场地-地铁车站结构体系耦合动力非线性分析数值模型,选取最大层间位移角为结构损伤指标,基于增量动力分析IDA法获得结构在地震作用下动力响应数据,进而构建地铁车站结构的地震易损性曲线,并求得结构在各级地震动作用下的不同破坏状态超越概率。分析结果表明:当PGA0.7 g时,饱和砂土场地中地铁车站结构以发生中等损伤和轻微损伤为主;当PGA≥0.7 g时,结构以严重损伤为主,并且向坍塌发展。此饱和砂土场地中地铁车站结构地震易损性分析流程方法,可为地铁车站抗震设计和减灾预测评估提供参考。     

可液化场地中复杂异跨地铁地下车站结构的地震反应分析

地基液化是导致地铁地下车站结构在地震中发生严重破坏的重要威胁之一,然而目前对可液化场地中地铁地下车站结构地震反应的研究较少,尤其是针对大型复杂异跨地铁地下车站结构地震反应的研究更是少见。通过引入砂土液化大变形本构模型,采用有限元网格自适应调整技术克服土体网格大变形的畸变问题,建立了可液化场地土一复杂异跨地铁车站结构静动耦合非线性相互作用的有限元数值模型,分析了该相互作用体系的场地液化分布特征、异跨车站结构上浮特征、周围场地位移沉降及矢量特征、结构侧向变形和地震损伤破坏特征等,初步揭示了该相互作用体系的地震反应规律及液化地基中大型异跨地下结构的地震破坏特征,研究成果可为提高可液化场地中异跨地铁车站结构地震反应的认识及完善其抗震设计方法提供合理的参考。     

外源波动问题数值模拟的一种实现方式

将人工边界上的波动场分解为无局部场地效应影响的自由场与局部场地效应引起的散射场两部分,无限域地基中的波动传播对人工边界的影响通过将位移场、速度场转化为应力场施加到人工边界节点上来反映,其中散射波场的模拟采用了杜修力等提出的一种远场近似解。在此基础上,利用通用有限元软件实现了斜入射条件下瞬态平面地震波作用引起的局部场地效应的时域数值模拟,为计算二维、三维局部不规则、非均匀场地的地震局部场地效应以及土结动力相互作用等外源波动问题提供了一种有效、实用的实现方式。建议方法的优点是可直接借助通用有限元软件强大的求解器和前后处理功能来计算和分析近场波动反应,且实现简便。实际上,由于通用有限元软件强大的求解功能,可方便地用于局部场地存在不均匀、非线性的情况。     

非线性分层地基地面运动反演分析

采用非线性土层平稳随机地震反应分析的等价线性化方法 ,运用半无限长剪切梁上剪切型多质点系地震反应分析的 Fourier变换分析方法 ,结合自由场地地表处测得的地震加速度记录反演分析了非线性成层地基基岩的地震运动 ,并编制了相应的分析程序。用随机地震概率描述方法来求解考虑土层非线性特性所需的等效参数 ,在地基及土石坝等大型上部结构的抗震设计计算中向动力可靠设计方向发展 ,避免了在采用等价线性化法进行近似计算时 ,引入限制条件过多 ,分析繁杂 ,难以实现应用的缺点。根据杭州某自由场地实际地质情况反演分析了该场地基岩的地震运动 ,数值结果表明了反演分析的必要性和方法的正确性     

深厚覆盖层液化对场地卓越周期及土石坝地震响应影响研究

针对软弱夹层受震液化对深厚覆盖层场地振动特性的改变以及其上高土石坝的地震响应影响开展研究。将含有软弱夹层的深厚覆盖层场地简化为三质点体系,推导了软弱夹层液化后的场地卓越周期计算公式,进而分析了液化层特征量对场地卓越周期及场地反应谱的影响规律;应用剪切楔法研究了软弱夹层液化对深厚覆盖层上土石坝坝顶加速度放大系数的影响规律。结果表明:夹层发生液化使得场地卓越周期增大,增大程度与夹层液化程度、上覆层与液化层厚度比λ1、液化层与下卧层厚度比λ2密切相关;液化使得场地类别至少增加一类;液化后场地反应谱呈现短周期减震、长周期加震现象,加震减震的分界线一般在0.61-0.88 s范围内,反应谱平台段加宽;液化使得覆盖层上高土石坝坝顶加速度放大系数明显增大,放大作用随着软弱夹层液化程度的增加呈现下降的趋势,在夹层较厚且重度液化时,液化现象对覆盖层上高土石坝动力响应反而有消弱作用。     

珊瑚型环礁斜坡地形水下声传播特性分析

从岛礁斜坡地形条件下的声信号衰减和地形阻断效应分析出发,重点针对水下声场分布规律及其对声传播造成的影响开展研究。利用水声模型理论,结合某礁实测地形以及水文数据,建立岛礁斜坡地形下的多途声信道模型,基于Bellhop与RAM声学仿真方法,对不同地形下的声线轨迹、声传播损失以及信号时延等声场特性进行仿真分析,得出岛礁斜坡地形下的声场分布特征。研究结果表明：（1）岛礁斜坡地形是影响其声传播模式的关键因素;（2）斜坡外缘浅海区域的目标不易被岛礁斜坡顶端的声呐所探测; （3）陡坡地形对浅海声源的声传播有利,当声源深度足够大时,缓坡地形下的本征声线数目能够达到在陡坡地形下的5倍,对声传播有利。以上研究结果可为岛礁区水下声场的特性分析以及水下声学对抗等实践应用提供理论基础和技术参考。     

一种用于场地-建筑群体系地震响应分析的二维耦合法

该文章发展了一种用于计算场地-建筑群体系地震响应的二维耦合法，其中采用间接边界元法模拟远场土体，采用有限元法模拟近场土体，用解析算法的刚性基础-等效均质块体模型模拟建筑群。该耦合法的优势是建筑群无需离散单元，计算量小，结构参数简单直观，且无需人工边界即可满足场地无穷远处辐射条件。通过与已有文献结果对比，验证了该文章耦合法计算准确，精度较高。通过数值计算分析了场地-建筑群效应对结构动力响应的影响，研究表明：场地-建筑群效应可能明显放大结构地震响应幅值，这与整个场地-建筑群的特性及地震波特性有关；当建筑群中结构参数相同且结构刚度较大时，场地-建筑群效应可能对结构地震响应幅值的影响较大，尤其是处于建筑群中心位置的结构，该文章算例中放大率达36.17%;当建筑群将相同参数结构分区布置(如多层区、高层区)时，场地-建筑群效应可能对各区中心位置结构的地震响应幅值的影响较大。     

基于静力推覆分析的穿越地裂缝浅埋地铁车站地震破坏模式研究

以处于西安f₄地裂缝场地的浅埋地铁车站为研究对象,通过开展振动台试验,探讨了地裂缝场地和结构的震害特征。同时,考虑场地地震响应的非一致性,采用静力推覆分析方法,分析了穿越地裂缝浅埋地铁车站的地震破坏模式。结果表明：针对地裂缝场地地下结构的Pushover分析方法能够较真实地反应地震作用下地裂缝场地的活动特征和地下结构的破坏特点。在水平地震作用下,趋于稳定状态的地裂缝上、下盘土体主要进行张合活动(相互挤压与分离)。其中,相互挤压会对结构中柱施加明显附加压弯作用。地裂缝场地土体的水平剪切变形是结构破坏的主要外在因素,而地裂缝活动造成的附加压弯作用会进一步增大中柱轴压比,降低中柱的变形能力,加速结构的地震破坏。在地裂缝场地特征变形作用下,结构底层中柱水平剪切变形能力相对较弱,且结构剪力表现出明显的空间分布规律,上盘结构底层中柱是结构的抗震关键构件。研究结果对该类结构的抗震设计具有重要参考价值。     

自重、渗流及地震耦合作用下人工岛动力稳定性分析

针对人工岛在自重、渗流、地震等耦合作用下动力稳定性研究较少的现状,以某人工岛边坡为例,首次将强度折减动力分析法引入到人工岛动力稳定性分析中,建立有限元数值分析模型,采用Finn-Byrne和修正Hardin-Drnevich动力本构,对多场耦合作用下人工岛液化范围、受力情况及动力稳定性进行分析。计算表明：1）在设防烈度地震作用下,人工岛能够满足动力稳定性要求,由于海底淤泥层抗剪强度很低,地震下的最终破裂面由抛填块石下部与淤泥层共同组成;2）岛内侧降水,使得海水渗流方向由岛外指向岛内,增加岛外侧土体有效应力,提高其抗液化能力,降低了岛内土体的有效应力,因此地震作用下内侧土体更易液化;3）由于受到周围土体的约束作用,土体局部液化不会产生液化大变形,只有液化土体较多才会产生大变形。研究结果为人工岛动力分析提供参考。