考虑地震动空间非一致性的地铁车站结构振动台试验研究

长度超过百米的地下结构受到地震动空间变异性的影响较大,为深入了解粉质黏土地基条件下地铁车站在非一致地震动激励下的动力反应规律,设计并完成了粉质黏土地基条件下非一致地震动激励下地铁车站模型的振动台试验。为模拟粉质黏土地基设计制作了刚性土箱,对模型材料配合比以及钢筋配筋设计等进行了分析研究,根据动力相似理论,开展了纵向非一致地震动激励下地铁车站结构模型的振动台试验,通过对实测加速度、土压力以及构件应力等试验结果的分析,得出地铁车站结构在地震波先后到达不同横截面的动力反应差异、同一横截面各构件的动力反应差异以及地铁车站结构与土体的动力反应差异,得到纵向非一致地震动激励下地铁车站结构的动力反应规律。     

可液化地基-非规则截面地铁车站地震变形研究

以上层为五跨和下层为三跨的非规则截面地铁地下车站结构为原型,在可液化场地条件下进行土与地铁地下结构动力相互作用振动台试验。试验提出适用于液化地基-地下结构振动台模型试验的柔性传感链结合水沉法的模型地基制备方法,采用阵列式位移计测试了地基水平变形;分析了孔压发展、消散及空间分布规律,地震动强度与孔压关系,地表震陷与地基变形等。结果表明:饱和砂土振动孔压主要在地震过程中完成累积过程,振动孔压比与地震动Arias强度表现出显著的相关性;强震作用下地下结构存在改变了地基孔压空间分布模式;模型结构地震过程中出现了显著上浮现象,上浮不仅仅发生在孔压累积段,孔压消散段仍存在惯性上浮效应。随着液化区的扩展以及饱和砂土液化程度的增大,变截面地下结构不均匀沉降和倾斜现象显著,地下结构抗浮设计中应考虑截面结构形式差异性。     

地铁地下车站在非一致性地震输入下的动力响应

由于近年来城市地下空间的开发,修建了一大批地铁车站,这些大尺度地下结构的出现,为工程抗震提出了新的课题。首先详细阐述了基于设计反应谱合成空间相关多点地震波的方法,合成的地震波不仅具有地震动的空间相关性,同时还具有强度和频率含量的双重非平稳性;再分别建立了位于三种场地中的地铁车站三维有限元模型,用无限单元来模拟无限域的影响,在此基础上分析了一致与非一致地震动输入情况下该地铁车站的地震响应特征。结果表明：在软土场地中,地震动的非一致性使车站轴向各中柱位移产生了较大的相位差,同时对侧墙的动应力影响较大;在中等和硬土场地中,地震动的非一致性对结构的动力响应影响较小,一般可以忽略。建议在对软土场地中的大尺度车站结构进行地震反应分析时,应考虑地震动的非一致性影响。     

隧道纵向地震反应分析的反应位移法对比

针对地下隧道结构纵向地震反应问题,《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB 50909—2014)采用了纵向反应位移法,在一定程度上考虑了地震动作用下土体与地下结构的相互作用。而纵向整体式反应位移法,是一种可用于非一致地震动输入时隧道等长线型地下结构抗震分析的实用方法。以北京某地铁区间盾构隧道结构为研究对象,采用规范方法和纵向整体式反应位移法完成了出平面剪切波斜入射下隧道结构纵向地震反应计算,并与动力时程法的计算结果进行对比。结果表明,规范方法计算模型中离散的地基弹簧无法反映地基土体之间的相互作用、可能导致内力(主要是剪力)计算出现较大的误差;假定沿隧道纵向土层位移分布为正弦波式的规范方法由于正弦波型与实际情况不符,导致内力计算结果与动力时程结果相差过大;而以自由场位移时程作为等效地震作用的规范方法计算得到的最大弯矩具有良好的计算精度,但最大剪力与动力时程方法相差较大,同时这一方法需完成所有时间步的静力计算才能获得结构最不利地震反应,影响了计算效率。而纵向整体式反应位移法可以有效模拟地震作用下地基土对结构的约束作用、简便的判断结构最不利地震反应时刻,具有良好的计算精度、较高的计算效率,能够反映地震波作用下非一致地震动输入对隧道纵向地震反应的影响。     

考虑土-结相互作用的黏滞阻尼器减震结构振动台试验研究

通过对黏滞阻尼器消能减震钢框架结构模型在刚性地基和群桩地基条件下进行对比振动台试验,研究土-结动力相互作用(SSI)对阻尼器减震效果的影响。根据量纲分析法确定了试验模型与原型的相似关系。采用粉质黏土作为试验用土,采用叠层剪切型土箱以减轻边界的影响。上部结构为5层钢框架,消能元件为黏滞阻尼器。通过振动台试验获取了不同地震输入下减震结构及非减震结构在不同基础条件下的动力特性、楼层加速度及位移的地震反应数据。对于桩基础模型,测量了桩身应变及桩土接触面的压力值。试验结果表明:对于非减震结构,SSI效应使结构体系的阻尼比有较大的提高,而对于减震结构,SSI效应对结构体系的阻尼比影响则不大;SSI效应对结构楼层加速度反应具有显著的影响,其对上部结构地震反应的主要影响体现为减震效应,且随着地震输入量级的增大,减震效应愈大,群桩基础上阻尼器的减震效率与刚性地基相比具有较大程度的下降;对于桩基础结构,阻尼器在降低上部结构反应的同时,减小了桩基础的地震反应,上部结构和基础两个方面的安全性都得到了提高。     

黄土与地铁车站动力相互作用模型的水平位移及沉降分析EI北大核心CSCD

在黄土场地条件下进行土与地铁地下结构动力相互作用振动台试验。基于实测数据对黄土与地铁车站接触动土压力、模型地基竖向沉降及水平位移进行分析,对试验中模型地基地震破坏特点进行描述。结果表明:结构侧面顶部动土压力大于中部和下部,随输入峰值加速度的增大结构侧面土压力均增大;地震动较大时,地基层间剪切位移呈现顶部最大,底部次之,中部最小;地表沉降随输入峰值加速度的增加而增大,西安人工波作用下地表沉降大于松潘波和Taft波作用下沉降;结构上方地表沉降始终小于周围土层,表明结构发生相对上升运动;分析发现,结构顶、底动土压力差提供结构上升运动的内在动力。回归分析表明,地基水平相对位移与土层深度可用三次多项式拟合,两者之间具有较好的相关性。     

黄土与地铁车站动力相互作用模型的水平位移及沉降分析

在黄土场地条件下进行土与地铁地下结构动力相互作用振动台试验。基于实测数据对黄土与地铁车站接触动土压力、模型地基竖向沉降及水平位移进行分析,对试验中模型地基地震破坏特点进行描述。结果表明:结构侧面顶部动土压力大于中部和下部,随输入峰值加速度的增大结构侧面土压力均增大;地震动较大时,地基层间剪切位移呈现顶部最大,底部次之,中部最小;地表沉降随输入峰值加速度的增加而增大,西安人工波作用下地表沉降大于松潘波和Taft波作用下沉降;结构上方地表沉降始终小于周围土层,表明结构发生相对上升运动;分析发现,结构顶、底动土压力差提供结构上升运动的内在动力。回归分析表明,地基水平相对位移与土层深度可用三次多项式拟合,两者之间具有较好的相关性。     

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。     

黄土地区地铁车站地震反应的频域分析及空间效应

在黄土场地与地铁地下结构动力相互作用振动台试验中,测得模型地基及地铁车站的加速度反应及应变反应。基于实测数据对模型地基、地铁车站的加速度反应进行了频域分析,对比不同观测断面内地铁车站的地震反应,分析地铁车站加速度反应的空间效应。结果表明:随输入峰值加速度增加,模型体系加速度反应傅里叶谱基频减小,相应谱值增大;随埋深减小地基加速度反应傅里叶谱低频成分增大,高频成分减小,且增大部分频带宽度随输入峰值加速度增加而缩小;随输入峰值加速度增加,结构加速度反应傅里叶谱主频集中、变窄,高频成分呈现增强效应;模型体系加速度反应傅里叶谱主频带宽呈现出松潘波作用时较宽,西安人工波作用时居中,Taft波作用时较窄;受结构端头效应及土结相互作用中倾斜与扭转影响,地铁车站地震反应具有显著的空间效应。研究结论可为黄土地区地铁地下结构的抗震设计及相关理论研究提供重要参考。     

考虑行波效应的沉管隧道抗震性能:振动台阵试验研究

为研究沉管隧道结构及接头的抗震性能,通过振动台阵试验研究了沉管隧道结构及其接头动力响应特征。试验分别考虑了一致及不同视波速的纵向行波激励,对比研究了行波效应对土和沉管隧道及其接头的影响规律和影响程度。试验结果表明:一致激励下,隧道与土体具有比较一致的整体运动,而考虑纵向行波效应时,土体和隧道产生相对滑移,同时纵向行波效应及其输入方向对接头轴力、弯矩和变形有较大影响,行波效应使得沉管隧道接头的反应趋于不均匀,沉管隧道及其接头进行抗震设计时应考虑行波激励的影响。     

软土地基上土-高层建筑群体系对高层建筑影响的试验研究

在软土地基上,城市密集的高层建筑群间通过场地土将产生动力相互影响。为研究土与高层建筑群间动力相互作用对高层建筑动力响应的影响,设计了两组对比试验,一组为建筑群振动台试验,另一组为单个建筑振动台试验。试验结果表明:在软土地基上,土与高层建筑群间存在明显的动力相互作用,建筑群间的动力相互作用加剧了建筑物的破坏,并使得高层建筑的加速度减小,且影响程度与输入的地震波特性有关;在两种波的激励作用下,相互作用对速度的影响是一致的,减少了短周期结构的速度,对长周期结构的影响则与输入的地震峰值相关;相互作用对短周期结构的位移影响很小,而对长周期结构的位移影响较大。     

地震动空间差异对沥青混凝土心墙土石坝-覆盖层地基系统响应影响研究EI北大核心CSCD

地震动的空间差异性往往对结构-地基系统的响应具有显著影响。从地震动差异形成的物理机制出发,基于二维设计地震动确定入射P波、SV波时程,在波动输入模型基础上引入地震动组合效应构建了空间非一致地震动场,建立了空间差异地震动的波动输入模型。进一步研究了地震动场空间一致输入和非一致输入下沥青混凝土心墙土石坝-覆盖层地基系统的地震响应。结果表明,非一致地震动场输入模型获得的地表自由场控制点位移水平和竖直分量均与设计地震动吻合良好,能够在考虑地震动空间相关性基础上模拟地震波传播的时间滞后、幅值变化和时程形状差异等空间差异特征。与一致输入相比,非一致输入下覆盖层建基面水平向和竖直向加速度分布方差最大增大341%和50%。地震动的空间差异引起心墙竖向应力和剪应力峰值最多增加198%和51.9%。坝顶加速度和永久变形平均值均有所增加,最大结果分别增加25.53%和13.06%。传统的一致波动输入方法可能会低估结构地震动响应,分析沥青混凝土心墙土石坝-覆盖层地基系统的地震响应有必要考虑地震动的空间差异性。     

非一致地震动激励下结构拟静力/动力分量的分离及其应用示例

基于改进的大质量法和位移法,分别求解非一致地震动激励下结构总反应和拟静力分量,用总反应减去拟静力分量得到动力分量,实现拟静力/动力分量的分离。结果表明,该方法简便实用,计算精度高,与理论结果符合好。以一座连续刚构桥为例,分析了非一致地震动激励下,结构地震反应拟静力/动力分量的基本特征和影响因素。结果表明,各支撑间的地震动位移差动对拟静力分量影响巨大,不容忽视;拟静力分量/动力分量相互叠加或消减,致使结构反应在多点激励作用下表现复杂。     

爆破震动非一致激励作用下建筑结构响应研究

爆破地震动与天然地震动相比,具有震动频率高、强度衰减快、震动持续时间短等特点,结构受到的爆破震动激励是非一致的,而目前对于结构在爆破震动非一致激励下的响应研究很少。为此,采用Lagrange插值,实现现场爆破测震数据的非一致激励加载,进而利用动力有限元软件LS-DYNA,模拟并分析一个四层普通砖混结构于不同激励方式(一致激励、多点激励、非一致激励)下结构响应的差异,分析了同一种激励方式下,爆破震动荷载信号震幅、主频的变化对结构响应的影响。此外,还研究了非一致激励条件下结构各层楼板震动的峰值速度之间的变化规律。研究结果表明:同样荷载同种激励方式下,墙体易首先发生破坏;较高频率震动荷载宜采用非一致激励;结构中各层楼板的峰值速度基本随着楼层的增加而增加。     

地震动多点激励下大跨空间网架结构的反应分析

基于直接输入位移法建立了多点激励时程分析模型,采用三角级数法模拟生成满足给定的相干函数和规范反应谱的非平稳空间地震动。选取大跨度柱支承空间网架结构为研究对象,分别进行了结构在地震动一致激励、行波激励和多点激励作用下的动力反应分析,对其进行了比较研究。分析结果表明:在水平地震动多点激励作用下,与一致激励相比,上部结构控制杆件轴力和柱顶位移的幅值变化与地震动作用方向有关,地震波先到达的下部支承柱结构的内力反应增大;在竖向地震动作用下,结构在多点地震激励下的反应明显大于一致激励。网架结构在多点地震动激励下与行波激励下的反应结果变化规律相似,多数情况下行波激励得出偏于不安全的结果。因此,忽略地震动的空间变化会严重低估大跨度空间网架结构的反应。     

隧道纵向地震反应分析的整体式反应位移法

对于非一致地震动作用下隧道纵向地震反应问题,采用地下结构横断面地震反应的整体式反应位移法的基本原理,给出了一种根据自由场地震反应确定隧道纵向反应最不利变形和最不利内力发生时刻,即最不利时刻的确定方法,提出了适用于地下隧道结构纵向地震反应分析的整体式反应位移法。该方法通过自由场静力分析模型,根据隧道埋深位置处的自由场最不利变形确定等效地震作用,通过隧道结构-地基整体模型的静力计算获得隧道结构的最不利地震反应。以北京某地铁区间盾构隧道结构为研究对象,分别采用纵向整体式反应位移法和动力时程分析方法进行了出平面剪切波入射下隧道结构纵向地震反应计算,并将二者的计算结果进行了对比与分析。结果表明,该文提出的纵向整体式反应位移法概念明确、过程简便,具有良好的计算精度,可用于非一致地震动输入下隧道等长线型地下结构的抗震分析。     

场地均质性对浅埋地铁车站地下结构地震易损性的影响

场地条件是影响地下结构地震响应的关键因素之一,该文旨在研究场地均质性对于地铁车站地下结构地震易损性的影响。以两层两跨地铁车站为研究对象,基于ABAQUS/Standard软件平台建立了考虑土-结构相互作用的二维有限元分析模型。模型考虑了循环动力荷载作用下土体的非线性与钢筋混凝土的弹塑性力学行为。采用增量动力分析方法分别计算了结构在层层场地条件下与均质场地条件下结构的地震响应,并以层间位移角为损伤指标与地面峰值加速度为地震动强度指标绘制了地铁车站结构的地震易损性曲线。结果表明,层层场地条件下结构的响应均值要显著高于均质场地,但两者标准差一致。在地震动作用下,结构处于层层场地下的破坏概率要明显高于均质场地,这主要归因于层层场地中毗邻结构的土体产生了较大的剪切变形。上述结论可为地下结构基于性能的抗震设计提供科学参考。     

不同场地条件下某新型核电厂房的地震响应试验研究

土-结构相互作用是准确模拟核电厂结构、附着系统和组件地震响应的重要因素。使用振动台多功能叠层剪切土箱模拟土体边界条件,对某新型核电厂房进行1:25缩尺模型地震模拟振动台试验。试验选取10组水平加速度地震动记录,按照运行安全地震动(OBE)0.15g、极限安全地震动(SSE)0.30g和超设计基准地震动(ULE)0.75g作为输入,研究不同地震动强度引起的场地土非线性反应,以及对楼层加速度响应的影响规律;该模型土-结构相互作用振动台试验表明,尽管在基岩场地上,场地仍然对结构的地震效应造成明显的放大作用,在OBE、SSE和ULE工况下,场地动力效应放大倍数分别为3.13、2.1和1.19,由于土体逐渐进入了非线性状态,这种放大作用随着输入地震动强度的增强而变小。因此,建议对基岩场地的条件进行界定,并建议在任何条件下均需要考虑土-结构相互作用的影响,特别是在对核电厂设备、管道抗震设计和地震裕度评估时,不考虑土-结构相互作用将造成评估结果偏小。     

基于不同地基隔震体系的两层三跨地铁地下车站结构抗震性能分析

针对两层三跨地铁地下车站结构的地震破坏特征，采用水泥橡胶砂混合土作为地铁地下车站结构周围回填地基隔震层，建立三种不同地基隔震体系的土-隔震层-地下结构静、动力耦合非线性动力相互作用的二维有限元计算模型，分析了不同地基隔震层设置方案对地铁地下车站结构的相对层间位移角、加速度反应、震后残余变形和混凝土地震损伤破坏等地震反应的影响规律。结果表明：在地下车站结构周围地基设置水泥橡胶砂隔震层可以有效地减轻地下车站结构的地震侧向变形，尤其是在四周都采用隔震材料回填时效果最好；总体来看，在车站结构周围采用不同地基隔震的方法均可以有效地减轻地下车站结构的惯性力和混凝土地震损伤程度，提高了结构的整体抗震性能，从经济角度和施工方便出发，建议优先选用在地下车站结构两侧设置地基隔震层。     

三维隔震抗倾覆结构振动台试验

应用一种具有自主知识产权的被动控制装置——碟形弹簧三维隔震抗倾覆支座(3D-BIORD-DS)对一高层钢框架模型结构进行了隔离三向地震动激励的振动台试验。介绍了装置的设计原理和力学性能试验,试验结果表明:装置内置钢丝绳交错与否对装置的水平性能有较大影响;装置具有足够的竖向承载力。进行了模型结构振动台试验,考查了4条地震动作用下的结构反应。对试验结果的分析表明:不管是短周期地震动还是长周期地震动,装置都能够较好地减小结构的三向地震响应;但是结构的倾角反应较大,表明支座的竖向刚度应当进行更加合理的设计,以满足可使用性要求。