偏心支撑框架空间子结构混合试验边界条件模拟方法

数值子结构的建模精度和子结构的边界条件模拟是子结构混合试验中的两个关键问题。为进一步研究这种新型结构试验方法对于空间框架结构的适用性,基于高强钢组合Y形偏心支撑框架模型展开研究。首先建立了一套由OpenSees, OpenFresco试验平台以及MTS加载系统组成的混合试验系统。然后分别针对2层、3层和4层3跨高强钢组合Y形偏心支撑框架,取底层带有偏心支撑的框架部分作为试验子结构,其余部分作为数值子结构在OpenSees中进行模拟。在混合试验之前,利用已有单榀试件拟静力试验结果对数值子结构的建模方法进行了数值模拟验证。最后选取El Centro波作为原始输入地震波,针对试验子结构的平动模拟和竖向荷载作用进行了一系列空间子结构混合试验。结果表明:通过数值模拟验证拟静力试验结果的方式,可以为混合试验中数值子结构的建模提供参考依据;采用双作动器水平加载来实现试验子结构的平动,可以有效考虑数值子结构对试验子结构的边界约束;竖向荷载的考虑,可以更真实的模拟试验子结构的重力二阶效应。     

基于有限元软件OpenSEES的混合试验系统及试验验证

用混合试验研究结构在强震下的抗震性能时,仍然选择简单的线性模型对数值子结构进行模拟显然难以保证实验结果的精度。为解决该问题,将有限元软件OpenSEES引入混合试验中以提高数值子结构的模拟精度。主要研究基于有限元软件OpenSEES和接口软件OpenFresco、实验控制dSPACE建立的混合试验系统,并通过混合模拟和混合试验验证所建立混合试验系统的有效性和精度。研究结果表明:数值子结构内核OpenSEES、接口程序OpenFresco以及实验控制dSPACE之间具有良好的通讯性能,能满足混合实验的要求;试验系统具有较好的稳定性和精度。     

采用不同隔震形式的双层地铁地下车站结构地震反应分析

针对地铁地下车站结构中柱、中板等抗震薄弱构件，分别研究了车站结构在传统完全约束结构形式下，在上下层中柱顶部设置弹性滑移支座时，以及本文提出的在中板边缘及底层中柱设置隔震支座时的地震反应特性，建立了土-地下结构非线性静动力耦合相互作用的二维有限元分析模型，对比分析了采用不同隔震形式对车站主体结构静动力反应特性的影响规律。结果表明：与传统车站结构相比，在中柱顶部设置弹性滑移支座能有效降低车站中柱处的地震损伤，具有更好的抗震性能。采用本文提出的中板边缘及底层中柱设置隔震支座，可以在减小中柱所受地震损伤的同时，有效地保证结构中板在强地震中不受严重损伤，从而提高车站的整体抗震性能。     

FRP加固RC连续梁桥抗震性能试验研究

以某钢筋混凝土连续梁桥作为研究对象,对其桥墩进行了塑性铰区的FRP抗震加固,采用混合试验技术研究了该桥梁结构的抗震性能。将连续梁桥结构承担主要地震作用的固定墩作为试验单元,进行真实的物理试验;将桥梁结构其余部分作为计算单元通过有限元软件OpenSees进行模拟,通过OpenFresco混合试验平台集成协调,完成了该连续梁桥的抗震混合试验。最后将试验结果与OpenSees有限元分析结果进行了对比。研究结果表明,FRP抗震加固能够有效改善桥梁的抗震性能;试验结果与有限元分析结果吻合较好。     

异跨框架式地铁地下车站结构抗震性能水平与评价方法研究

针对现有异跨地铁地下车站结构抗震分析方法缺乏合理性能评价指标的问题。考虑土体与结构混凝土的材料非线性和接触非线性,建立了土-异跨地铁车站静动耦合整体时域有限元数值模型,通过在基岩处输入不同强度等级和类型的地震动,研究了异跨地铁车站结构的侧向变形规律与地震损伤特性,揭示了该车站结构的地震损伤破坏演化过程,建立了基于层间位移角与损伤破坏状态的异跨框架式地下车站结构抗震性能水平评价方法与物理特征描述。所建议的抗震性能评价方法能初步应用于异跨框架式地下结构的抗震性能水平分析。     

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。     

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。     

高强钢组合Y形偏心支撑框架抗震性能混合试验研究

高强钢组合Y形偏心支撑框架作为一种新型结构体系,结合了高强钢承载力高和偏心支撑耗能能力强的优势。为进一步研究高强钢组合Y形偏心支撑框架结构的抗震性能,以一个3层3跨的高强钢组合Y形偏心支撑框架结构为原型,采用子结构混合试验方法进行了一系列试验研究。选取原型结构中底层带有偏心支撑的框架部分作为试验子结构,其余部分作为数值子结构在OpenSees中进行模拟,从而建立了试验所需的子结构混合试验模型。根据试验结果,验证了混合试验模型的有效性,并对混合模型的主要抗震性能指标进行了分析。结果表明,在不同地震波作用下,混合试验模型的试验结果与整体结构数值模型的模拟结果吻合较好。在罕遇地震作用下,试验子结构的塑性变形主要产生在消能梁段的腹板位置,而框架的梁柱和支撑保持在弹性范围内,符合结构多道抗震设防的思想。     

上覆荷载对浅埋地下结构抗震性能的影响EI北大核心CSCD

保障地下结构具备足够的抗震性能对于降低结构损伤和提升灾后恢复效率均具有重要意义。为此,利用静-动力耦合的非线性数值分析方法,对不同上覆荷载作用下典型地铁车站的塑性铰发展特性及承重构件截面的弯曲延性需求进行了分析。研究表明:地震作用下弯曲塑性铰首先出现在中柱端部,高轴压比极大削弱了中柱的抗震性能并导致结构整体水平变形能力劣化;结构上覆荷载条件对中柱截面曲率延性系数的影响显著,但对侧墙的影响较为有限;车站承重构件截面延性系数与层间位移角的关系可采用二次多项式函数描述,给出的相应拟合关系式可为抗震设计中构件截面延性比需求的评估提供相关参考。     

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。     

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。     

地下结构整体式反应位移法的改进

整体式反应位移法是目前常用的地下结构抗震实用分析方法,但在求解等效输入地震荷载的过程中,需对自由场土层模型中土-结构交界面所包围的所有土体单元施加自由场惯性力,处理过程相对复杂。该文基于有限元离散模型,从理论上证明了整体式反应位移法中由结构周边应力引起的等效地震荷载可通过仅由一层土体单元构成的子结构模型的一次静力分析获得,由此提出了一种基于土体内部子结构的地下结构整体式反应位移法,即改进方法一;进一步论证了改进方法一中内部土体子结构的惯性力对等效地震荷载的影响可以忽略,在此基础上提出地下结构整体式反应位移法的改进方法二,该方法避免了土层介质自由场惯性力的计算与施加,从而有效简化了整体式反应位移法的实施流程。通过与传统整体式反应位移法的对比分析,验证了该文改进方法具有良好的计算精度,可用于地铁车站、地下隧道等地下结构的地震反应分析与抗震性能研究。     

基于在线神经网络算法的混合试验方法

混合试验是一种将数值模拟与物理试验相结合的新兴结构抗震试验方法,得到了相关研究者们的广泛关注。如何模拟具有强非线性的数值子结构仍是混合试验亟待解决的问题。在传统的离线神经网络基础上提出一种在线学习的神经网络算法,并应用于混合试验中来在线预测数值子结构恢复力。在线学习算法仅利用当前步的系统输入和观测样本,采用递推形式更新每一步的权值和阈值。针对两个自由度非线性结构,分别进行了基于在线学习和离线学习神经网络的混合试验数值仿真。研究表明:与离线学习神经网络算法相比,在线学习神经网络算法具有更好的自适应性,能够有效提高恢复力预测精度和计算效率;基于在线学习神经网络算法的结构混合试验方法可以提高混合试验结果精度。     

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。     

基于UKF模型更新的混合试验方法

在混合试验中,将结构划分为物理子结构和数值子结构两部分。对遭遇强震下大型结构的混合试验,很难保证数值子结构仍处于弹性阶段。为确保数值子结构模型的准确性,提出基于Unscented Kalman filter (UKF) 模型更新混合试验方法。该方法假定数值子结构与物理子结构恢复力模型相同,在混合试验进行中利用物理子结构试验观测数据,采用UKF方法在线识别物理子结构模型参数,实时更新数值子结构模型参数。通过数值模拟,应用UKF方法对单自由度结构非线性模型进行在线参数识别,验证UKF方法性能;通过对弹簧试件实际试验,验证该混合试验方法的有效性。结果表明,基于UKF模型更新混合试验方法较传统混合试验方法精度更高。     

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。     

Rayleigh波作用下地下结构地震反应影响分析

采用基于时域粘弹性人工边界的Rayleigh波输入方法,进行了土-地下结构相互作用体系在Rayleigh波作用下的动力时程反应分析,对Rayleigh波作用下地下结构的地震反应特性进行研究。重点讨论了地下结构材料强度、结构厚度以及土层刚度等因素对Rayleigh波作用下地下结构地震反应的影响。结果表明Rayleigh波对浅埋地下结构的地震动力反应影响显著,将使结构产生较大的内力与变形,在地下结构抗震设计尤其是浅埋地下结构的抗震设计时应予以足够的重视。     

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。     

地下结构横截面地震反应拟静力计算方法对比研究

对目前地下结构横截面地震反应计算中广泛采用的地震系数法、自由场变形法、土-结构相互作用系数法、反应位移法、反应加速度法等多种拟静力方法进行介绍及分析。以大开地铁车站地震反应为例进行数值模拟,通过改变输入地震波、结构刚度、土层刚度以及结构埋深对各种拟静力计算方法的适用性进行了研究,将不同方法的计算结果与动力时程分析方法结果进行了对比。研究结果表明:反应加速度法与动力时程分析方法符合较好,表明该方法在常见地下结构环境条件下具有良好的适用性与计算精度,可以用于地下结构的抗震反应分析。     

十字交叉型地铁车站结构的振动台试验研究

随着近些年地下轨道交通的发展,十字交叉型地铁车站广泛的应用在实际工程中,了解并提高此类地铁车站的抗震性能具有重要意义。首次利用振动台试验的方法探究此类地铁车站结构,揭示了地震动在场地中的传播特性以及十字交叉型车站结构的地震响应特性,尤其是车站交叉换乘连接段对车站整体结构的抗震性能的影响。结果表明:地震波的传播受到场地特性影响明显,尤其是与场地卓越频率相近的部分,响应频谱被明显放大;随着地震动增强,场地的放大效应会有所减弱,但是场地的加速度响应放大谱的分布更加丰富,在拓宽场地响应频谱范围的同时也提高了地铁车站的地震风险。与此同时,在不同工况条件下车站结构模型的交叉换乘段对车站整体结构的影响基本在1.5倍的结构宽度以内,当距离超过该范围后,结构模型不再受其影响。与单体车站相比,此类车站交叉换乘连接段的底层结构更不利于抗震。上述结论可为了解并提高此类地铁车站的地震响应特性以及后续的抗震设计提供了有力支持。