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。     

P波斜入射下非基岩场地中核岛结构地震响应规律研究

随着我国核电产业飞速发展,核电站厂址的选择将不可避免地遇到非基岩场地。针对地震动斜入射下非基岩场地中核电结构抗震问题,建立了包括CAP1400核岛结构和岩土场地的土-结构系统三维有限元模型,基于黏弹性人工边界和斜入射地震动输入方法,研究了P波斜入射角度和非基岩分层场地对核岛结构地震响应的影响规律。研究表明:非基岩场地将增大核岛结构加速度响应和楼层反应谱,多数条件下也将增大楼层相对位移;P波入射角度增大,核岛结构竖向响应减小、水平响应增大,楼层反应谱的频谱特性发生改变。     

近断层地震动斜输入下水电站厂房非线性地震响应研究

与远场地震动相比,近断层地震动往往有较大的速度和位移脉冲效应,且由于其发震断层埋深较浅,地震波垂直地表向上入射假定一般不再适用。目前关于水电站厂房抗震研究均未考虑近断层脉冲型地震动斜输入的影响。选取符合某水电站场地条件的近断层脉冲型和非脉冲地震动记录各5条,依据波动理论,采用黏弹性动力人工边界法,推导了SV波三维斜入射下的人工边界等效结点力计算公式,并进行了算例验证。建立了水电站厂房三维塑性损伤有限元分析模型,分析了水电站厂房在脉冲型和非脉冲地震动垂直和斜输入条件下的非线性地震响应。结果表明,近断层脉冲型地震动斜输入可以激起厂房结构的高阶振型,引起水电站厂房下部结构较大的损伤、位移、及应力响应,对厂房的破坏作用最强。     

基于IBIEM的SH波斜入射沉积河谷场地地震动特性分析

应用任意地形河谷沉积层散射波源的格林函数公式，基于间接边界积分方程法(indirect boundary integral equation method, IBIEM),分析了SH波斜入射下梯形沉积河谷场地地震动特性和分布规律，研究了地震波斜入射角度、斜坡坡度、介质阻抗比对地震动特性及非一致分布规律的影响机制，深入分析了河谷散射效应对地基截断边界地震动场的影响规律。结果表明：斜入射使得河谷表面峰值位移的放大效应和非一致效应显著增强，最大峰值位移达入射地震动峰值的5倍以上；当河谷底宽较大时，沉积河谷的边缘效应明显；当底宽较小时，沉积河谷的聚焦效应明显，表面最大值出现在河谷中心处；斜坡坡度对楔形体内、外表面附近地表处的地震反应影响强烈，该现象可以由地表折射波干涉区域与斜坡坡度、入射角、波速的确定函数关系得到解释；随着阻抗比的增大，位移幅值放大越来越显著；当斜入射时，刚度越小的软弱沉积层对地震波传播起到的屏障作用越大；无论是空心河谷还是沉积河谷，散射效应对边界处地震动场影响都较为明显，相对于平坦基岩自由场，底边界、右边界误差最大可达30.8%,54.8%,应考虑将散射效应的总场作为输入。     

基于波场分离的不规则地形下地震波输入方法

不规则地形条件下斜入射地震波场求解难度较大，以往的方法在计算精度和适用范围方面仍有不足。该文结合解析推导和有限元模拟，提出了一种基于波场分离技术的不规则地形条件下地震波输入方法，将地震P波和SV波在不同边界下进行波场分离：垂直入射时在侧面边界上分离为自由波场和散射波场，底部边界上分离为入射波场和边界外行场；斜入射时将输入侧对面的边界改为分离成入射波场和边界外行场；并充分考虑局部地形条件的影响，还基于改进的波动方法以便捷地输入节点力。同时对比了多组不同地震入射角度下规则场地和不规则场地的振动反应。结果表明：该方法在多类地形条件下计算精度与效率均较高，适用范围广且易于推广至复杂场地条件，并发现地震波入射角度和局部场地条件对地表位移响应影响较大。该研究可为不规则地形条件下的振动响应分析提供有效的手段。     

SV波超临界角斜入射时层状地基地震动输入在ABAQUS中的实现

有限元数值模拟中,超临界角斜入射SV波作用下层状地基的地震动输入是一个亟待解决的问题。该文采用层状地基频域内精确的动力刚度矩阵(即频域刚度矩阵法)推导了SV波任意角度斜入射下的地震动输入等效节点力计算公式,通过ABAQUS有限元软件模拟SV波斜入射下均匀半空间、层状地基的地震波场,探讨了基于频域刚度矩阵法的层状地基任意角度斜入射地震动输入应用于ABAQUS有限元软件的有效性和准确性。结果表明,采用频域刚度矩阵法可以在ABAQUS中实现层状地基任意角度斜入射SV波地震动输入,且方法具有很高的计算精度,尤其对于SV波超临界角入射情况,有限元数值模拟很好地再现了均匀半空间地表质点的椭圆型运动轨迹和层状地基的行波特点。在此基础上进一步将频域刚度矩阵法与等效线性化方法相结合,解决了考虑土体非线性的层状地基在任意角度平面波入射条件下的地震动输入问题。     

地震波斜入射条件下重力坝动力响应分析

为建立反映设计地震动的斜入射波场,将地表地震动时程分量分解为斜入射的平面SV波和平面P波,使其共同作用下在地表产生与设计地震动分量相同的响应,而其他方向响应为0,根据固体介质中波的传播理论,推导了斜入射波入射角度之间的关系,以及幅值与设计地震动分量的联系,通过采用平面波和远场散射波混合透射的应力人工边界条件,得到了反映设计地震动的地震波斜入射条件下的解析方式,以此为基础建立了时域计算分析模型。将该方法应用于某重力坝―地基动力相互作用分析,在不同地基刚度下与垂直入射的情况进行了比较,计算结果表明：地震波斜入射时对重力坝结构有明显的影响,尤其是坝－基交界面上,结构的动力响应要大于地震波垂直入射时结构的动力响应。该方法在均匀地基假设下构造了反映地表设计地震动特征的斜入射波系,斜入射波系在地表的响应具有非一致特征,同时该方法考虑了地基的辐射阻尼,可用于重大工程在地震动非一致输入下的动力响应分析。     

基于IBIEM的河谷场地非一致地震动特性及影响因素分析EI北大核心CSCD

采用间接边界积分方程法(indirect boundary integral equation method, IBIEM),分析了SH波入射下梯形河谷表面地震动特性和分布规律,研究了地震波斜入射角度、斜坡坡度、底宽以及场地剪切波速对场地地震动特性及非一致分布规律的影响机制,深入分析了不同剪切波速下河谷散射效应对地基截断边界地震动场的影响规律。结果表明,随着左侧斜入射角的增大,左侧斜坡放大效应逐渐增强,两岸地震动非一致分布特性越趋明显。左侧斜入射地震波,随着斜坡变缓,地形散射效应引起的放大区域逐渐向右扩展,两岸坡顶及坡脚地震动非一致性增强;随着底宽的增大,地形散射效应引起的放大区域逐渐由右扩展,坡脚相对位移对底宽变化敏感,两岸坡脚地震动非一致性增强;波速较小情况下,河谷散射效应显著,左侧坡顶位移峰值最大为右侧坡顶的1.45倍,两岸地震动非一致性明显。在截断边界输入地震动时,应充分考虑河谷地形散射效应,将自由场和散射场组成的总场作为输入,以获得合理的地震动输入。     

工程结构场地地震动特征的研究理论和计算分析

本文介绍了一维单元波速分层模型分析垂直入射体波从基岩面地表的传播及地面地震动，场地特征，研究了有关问题，并实现了计算机编程和计算模拟分析，根据某高层建筑物场上地土层钻探结果及其基岩地震危险性，运用该程序对其他地面地震动进行了分析评价，该方法及程序可为规范要求的时程分析法提供合理的人工地震波输入，对场地地震波性评估，抗震设计有较大的应用价值。     

基于设计地震动的斜入射波时程确定方法对土石坝地震响应的影响

基于设计地震动的斜入射波时程确定方法对土石坝的地震响应有显著影响,分析了斜入射P波和SV波时程按均质岩体在平坦地表水平向设计地震动1/2调幅,获得这种常用方法及其适用性。在P波和SV波组合斜入射前提下,考虑两者对半无限空间自由场的共同作用,建立了空间任意点自由场分量表达式,基于控制点自由场分量与设计地震动分量相同的原则,建立了入射波时程与入射角度的函数关系,提出了基于两向设计地震动的入射波时程确定方法。分析了在按垂直入射假定确定斜入射波时程时半无限空间地表自由场和基岩-覆盖层-土石坝系统地震响应相对于该方法的偏差。结果表明:在任意非垂直入射角度下,控制点自由场响应偏离设计地震动较严重,获得的土石坝坝顶加速度大小随入射角度变化规律包含地震动强度变化的贡献,不是设计地震动作用下的结果;该方法获得的地表自由场位移与设计地震动水平和竖直分量均吻合良好,能够正确反映斜入射角度引起的非一致运动,可以在保持设计地震动强度不变的前提下,分析斜入射角度对土石坝地震响应的影响。     

斜入射SV波对地铁车站地震响应的影响

在显式有限元法结合黏弹性人工边界的时域波动方法的基础上,建立了三维平面SV波斜入射的输入方法。半空间算例说明了该文方法具有较好的精度,并基于所建立的斜入射方法研究了地震波斜入射对北宫门地铁车站地震响应的影响。该算例结果表明:在地震波斜入射情况下,地铁车站的地震响应规律与垂直入射时的情况具有明显差异;斜入射角度对水平加速度响应并不敏感,但对竖向加速度影响较大;斜入射使得车站柱子构件的剪力和轴力明显改变,柱子轴力随着入射角增加而明显增大;边墙控制点的应力状态也受入射角的影响较大,各控制点的第一、第三主应力都出现了随着入射角度增加而增大的规律。在地铁车站等地下结构抗震研究中,应考虑地震波斜入射的影响。     

地震波斜入射下层状TI饱和场地地震反应分析

滨海地区的天然土体在长期的风化和沉积作用下,其水平模量往往会大于其竖向模量,表现出明显的横观各向同性（TI）饱和特性,目前还很少有针对地震波斜入射下TI饱和场地动力响应问题的研究。将HaskellThomson传递矩阵方法拓展到层状TI饱和半空间,求解了直角坐标系下两相介质的Biot动力平衡方程及孔隙流体运动方程,建立了层状TI饱和半空间传递矩阵,并结合地表边界条件求解了地震波斜入射下层状TI饱和场地自由场的时域反应。该文验证了提出方法的正确性,进而以CNTEWGXE波（0.3 g）作为输入地震动,研究了土体TI性质及饱和特性对场地加速度时程及反应谱的影响。结果表明:层状TI饱和场地和各向同性饱和场地地表的动力响应存在一定差异,TI参数的改变使得场地对地震波产生不同的滤波和放大效应;场地的饱和特性对地表的动力响应有重要影响,饱和多孔介质固液耦合作用对地震波具有削弱作用;地震波斜入射时地表加速度时程及反应谱响应小于其垂直入射时的响应,且入射角度对qP1波入射时的场地影响更明显。     

层状弹性场地基岩斜入射地震动二维反演

提出了层状弹性场地基岩斜入射地震动二维反演的一个方法,方法利用土层和半空间的精确动力刚度矩阵,根据地表某一点的水平和竖向两个地震加速度记录,进行基岩地震加速度时程和入射角的反演,并以SV波二维斜入射为例对方法进行了验证。研究表明,根据水平和竖向两个地震加速度记录可以进行基岩地震加速度时程和入射角的准确反演。同时,对文献中仅根据地表水平加速度记录进行基岩面水平地震动的一维反演方法进行了误差分析,研究表明,一维反演因忽略了波型转换,在模型上存在一定的误差,且误差随着实际地震动斜入射角的增大而显著增大。     

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。     

Accurate H-shaped absorbing boundary condition in frequency domain for scalar wave propagation in layered half-space

An accurate absorbing boundary condition (ABC) is developed in frequency domain for finite element analysis of scalar wave propagation in unbounded layered half-space. The proposed ABC is H-shaped line that consists of two parts: a new ABC at horizontal bottom boundary of finite domain to replace semiinfinite strip below horizontal boundary and between two vertical boundaries, and a general consistent ABC at vertical lateral boundary to replace semiinfinite layered half-space outside vertical boundary. The key point for constructing the ABC is that a new continued fraction (CF) is presented to expand dynamic stiffness of underlying half-space, and the CF-based stress-displacement relationship is then transformed into an auxiliary variable system with square of horizontal wavenumber. The ABC has only one undetermined real parameter that is the CF-order independent of frequency and incidence angle of propagating outgoing waves. The parameter can be chosen relatively small value to achieve an accurate ABC. Moreover, the ABC can couple seamlessly with finite element method of finite domain. The finite domain can be chosen very small size due to high accuracy of the ABC. Numerical examples are finally given to demonstrate the effectiveness of the ABC.     

地震波斜入射下考虑场地非线性、地形效应和土结动力相互作用的大跨连续刚构桥地震响应分析

基于多源叠加粘弹性人工边界和等效线性化理论,建立了SV波斜入射下考虑场地非线性、地形效应和土-结构动力相互作用的大跨结构动力响应分析计算方法。该文首先给出了SV波斜入射下非线性场地的自由场等效线性化求解方法,然后利用ANSYS有限元软件对一座5跨连续刚构桥和场地建立了有限元模型,计算了考虑场地非线性情况下不同入射角、不同地形和不同场地刚度工况下连续刚构桥的动力响应。计算结果表明:桥墩轴力随着入射角的增大而增大,剪力则随着入射角的增大而减小;局部地形不规则程度对桥梁结构内力放大效应有所不同,地形变化越剧烈,放大效应越明显;土体刚度对考虑土-结构动力相互作用的桥梁结构动力响应有较大影响,土体越软,土-结构动力相互作用效应越明显。     

分析层状土介质中群桩对任意入射地震波响应的半解析法

本文舍弃桩基动力分析中的土介质平面应变假定，采用薄层内位移线性变化条件下的动力Ｇｒｅｅｎ函数形成桩－土－桩动力相互作用所需的土介质柔度矩阵，用梁单元模拟桩的运动，以地震波入射为初始运动输入，建立了适用于群桩基础对任意入射地震波响应的半解析分析模型，研究了层状土介质中群桩对不同角度入射ＳＨ、ＳＶ和Ｐ波的动力响应。结果表明，本文提供的方法不仅可以避免平面应变解的低频误差，具有较高精度，而且计算工作量较少。     

局部褶皱对层状地基马蹄形孔洞散射的影响分析

水平岩层在构造作用下会产生局部褶皱,研究褶皱对层状地基马蹄形孔洞散射的影响,对地表结构地震安全性评价具有重要意义。基于子结构法建立了复杂场地散射问题的控制方程,将地震波散射问题的求解转化具有规则边界条件的层状地基(自由场)的动力刚度和波动响应的求解。通过Fourier变换和引入对偶变量,将波动方程转化为一阶常微分方程,采用精细积分算法对土层可实现高效合并,施加边界条件可得到内部节点的格林函数,进一步得到动力刚度。同时,采用精细积分算法代替原传递矩阵法的层间合并,可得到层状自由场的波动响应。这种改进传递矩阵法对土层厚度和层数没有任何限制。通过与文献中的结果对比,验证了方法的正确性,并分析了局部褶皱对层状地基中马蹄形孔洞散射场的影响。结果表明:局部褶皱对地表位移幅值的影响与入射波类型、入射波频率以及局部褶皱几何构造等因素均有关系;地表位移峰值受马蹄形孔洞和局部褶皱共同作用的影响,其影响特性与入射波类型无明显关系。