中硬场地两种等效线性地震反应方法的对比

采用传统等效线性化(EERA)和频率一致等效线性(SOILQUAKE)对比分析基岩输入地震动特性对中硬场地地震反应的影响,分析结果表明:弱震时EERA和SOILQUAKE的地表峰值加速度差异基本可忽略;随着基岩地震动强度的增大,二者计算的地表峰值加速度相对差异越显著,EERA给出的地表反应谱在短周期放大效应逐渐减弱,卓越周期处谱值被显著放大;而SOILQUAKE得出的地表反应谱在短周期放大效应并未削弱,反应谱的卓越周期和周期大于0. 7s的谱值与EERA法基本一致。0. 3s加速度反应谱放大系数随基岩地震动强度增大而减小,但EERA放大系数减小过快,SOILQUAKE的表现则更为合理。故EERA对地震动高频的过分滤波作用存在不合理性,SOILQUAKE在地震动高频段的放大作用较EERA表现好。     

地震基岩面的选取对深厚场地地表地震动参数的影响

地震基岩面的选取对场地设计地震动参数取值的合理性有重要影响。以苏州城区的钻孔剖面为研究对象,选取剪切波速介于400~800 m/s的9个土层顶面作为地震基岩面,采用等效线性方法考虑土的非线性特性,采用一维波传法分析地震基岩面的选取对地表地震动特性的影响。结果表明:1地表峰值加速度PGA随地震基岩面剪切波速的增大而增大,PGA的增大幅度随输入地震动强度的增大而减小;2地表加速度反应谱放大系数?谱谱值也随地震基岩面土层剪切波速的增大而增大,且?谱谱值随输入地震动强度的增大而减小;对于中强地震的近场地震动作用,基岩面深度对周期小于1.0 s的?谱谱值的影响较大;而对于特大地震的远场地震动作用,基岩面深度对周期小于4.0 s的?谱谱值均有较大影响;3远场地震动作用时的?谱谱值明显大于近场地震动作用的?谱谱值;4取剪切波速不小于700m/s的土层顶面为地震基岩面较为适宜。     

复杂地形条件下地震波的传播研究

利用显式有限元结合透射人工边界,研究了典型山谷地形桥址对地震波传播的影响,探讨了不同入射角度、入射方向及山谷跨度对地震动地形效应的影响规律。结果表明:坡底各位置的地震动的反应相差不大,而坡顶及坡顶后一定范围内的地震动存在不同程度的放大;地震波垂直入射时引起的地表放大效应最大,山谷左右两侧地表放大效应相对相差不大;在计算桥梁结构的地震反应时可以仅考虑地震波垂直入射的情况,其结果是偏安全的;地形放大效应存在明显的方向性;山谷的放大作用和山间跨度密切相关。     

地震波入射角对盆地地震反应影响的数值分析

利用二维时域非线性场地地震反应分析程序,针对不同坡角的盆地,利用不同峰值、不同卓越频率、不同入射角度的Ricker波作为输入基岩的SH波,研究地震波入射角、卓越频率以及盆地坡角对盆地地表地震反应的影响,研究表明:盆地地表加速度峰值(PGA)比例系数的最大值不一定出现在地震波垂直入射时,而大致在5°~25°之间,按垂直入射得出的计算结果在某些部位可能偏于不安全,在场地地震安全性评价工作中应适当考虑地震波入射角对场地地表地震反应的影响,综合确定场地地震动参数;同时,随着地震波入射角的增大,加速度反应谱峰值有减小的趋势;入射地震波卓越频率越大,对盆地地表加速度峰值有影响的地震波入射角变化范围越小;随着入射地震波卓越频率的增大,同一测点的加速度反应谱曲线逐渐向左"走移";盆地坡角对盆地地表加速度峰值分布模式有重要的影响,当盆地坡角较小时,盆地边缘处的地震反应最为强烈,而盆地中部地表的地震反应相对较弱,随着盆地坡角的增大,反应强烈位置逐渐远离盆地边缘向中部转移。     

地震波三维斜入射作用下隧道#br# 对场地地表地震动的影响

利用2.5维有限元-边界元耦合方法,以饱和土场地中圆形隧道为例研究了地下隧道对场地地表地震动加速度的放大效应,主要讨论了地震波入射角的影响。假定地震波在基岩面三维斜入射,用水平入射角θh和竖向入射角θv两个角度来表示地震波的入射方向。研究表明,地震波斜入射时的场地地表地震动加速度放大系数显著大于地震波垂直入射情况,且地震波入射角对场地地表加速度反应谱的幅值、形状以及卓越频率也均有一定程度的影响,尤其对竖向加速度反应谱卓越周期的影响显著。此外,针对本文算例,θh< 30°且θv> 30°时,场地地表地震动竖向加速度与水平加速度的比值大于规范推荐的0.65,且此时竖向加速度反应谱的幅值可能会大于水平加速度反应谱的幅值。     

斜入射作用下地震场地动力反应分析

应用一维化算法和人工边界节点的集中质量运动方程,将地震波动问题转化为波源问题。采用MATLAB语言,编制了将斜入射地震动场转化为施加于人工边界节点上的等效荷载,实现了波动的有效输入。利用编制的程序分析地震波斜入射时软土对地面运动峰值的影响,利用有限元程序ANSYS和根据波动输入程序,分析了地震波斜入射时河谷地形对地面运动峰值的影响。结果表明:软土层的存在会增强对地面运动峰值的放大作用。河谷地形对地震动具有放大效应,随着入射角度的增大,对应河谷地形的放大系数有所变化。     

SH波入射下河谷地形对连续刚构桥地震反应影响

根据显式有限元方法采用人工透射边界,设置不同入射角度,对一河谷地形进行二维场地地震反应数值模拟,分析SH波入射下河谷地形的地震动分布特征;以场地地震反应分析结果作为各桥墩的地震动输入,分析连续刚构桥地震反应的特点。结果表明:SH波入射下河谷地形各点的地震动分布存在明显的差异;入射方向是影响河谷地震动分布的重要因素;斜入射情形下,河谷各点的位移差动明显增大。考虑河谷地形影响后,刚构桥地震反应存在显著差异,但难以找到一致规律性。一致激励不能代表最不利地震作用情况,地形因素和入射方向对结构内力反应具有重大影响,大跨度桥梁抗震分析与设计应予以充分考虑。     

河谷场地地震波传播解析模型及放大效应

从形态上看,自然界存在平坦、凸起和凹陷3种常见的地形及场地条件,而河谷场地是一种常见的凹陷地形,且在河谷场地修建了大量工程(如土石坝、桥梁等)。实际震害调查表明地形及场地条件对地震灾害影响很大。针对河谷场地地震波传播解析模型及放大效应,全面总结了笔者及其课题组长期以来的研究成果。主要包括以下4个方面:(1)提出了近源地形与场地效应的概念,用线源柱面SH波模拟入射地震波,平面波是其远场入射的特例,构造了线源柱面SH波自由场,定义了近源激励下的放大因子,实现了入射波波前弯曲及其地形放大效应,为其它地形和场地引起的近源放大效应研究开启了新的可能。(2)构建了非对称V形河谷地震波传播解析模型,包括亥姆霍兹运动方程、河谷表面自由边界条件及虚拟辅助边界应力与位移连续条件,提出了区域分解与区域匹配分两步走的策略,首先将整个区域分解成3个符合极坐标系的子区域,在子区域中对运动方程进行求解获得相应的波场(含有未知系数),然后将各个子区域的波场在边界进行匹配,利用边界条件求解未知系数,从而获得整个区域的波场解答以及柱面SH波的二维散射规律,揭示了非对称V形河谷的差异放大效应,这将对建在非对称V形河谷上的长大跨度工程有着不可忽视的影响。(3)U形河谷在地球表面是普遍存在的,由于缺少实际地震记录和理论研究,U形河谷的地形放大效应仍然未知。构建了U形河谷解析模型,本质上也就是亥姆霍兹方程的边值问题,并得到了这个问题的波函数级数解,发现了U形河谷谷底对地震波的异常放大现象,改变了学术界以往认为凹陷地形底部地震动一定会衰减的不全面认识,并被用来解释中世纪暖期美国亚利桑那州的大量山体落石与滑坡现象。(4)河谷常有沉积物(覆盖层),覆盖层将进一步加剧地震放大效应。构建了线源柱面SH波半圆形沉积谷解析模型,并给出了其解析级数解,发现覆盖层对地震波有明显的放大效应,且覆盖层阻尼比较小时剧烈放大,这将加剧工程结构的破坏。最后,考虑河谷场地地震放大效应进行河谷两侧边坡地震稳定性分析,及土石坝地震反应分析与坝坡地震稳定性分析,认为河谷场地地震放大效应对边坡工程与土石坝工程抗震分析有着重要的影响。     

凸起地形中半圆形衬砌隧道对SH波的散射解析解

根据弹性波动理论,结合分区和契合思想,利用傅里叶级数展开法,由连续性条件和自由地表边界条件,求得了凸起地形中衬砌隧道对SH波散射的解析解。通过研究半圆形山岭衬砌隧道对SH波散射的影响,得到的计算结果表明:对于软性和硬性衬砌隧道而言,凸起地形对地震波有明显的放大作用,当入射频率增大时,地表位移幅值也增大,这种现象在凸起地形范围内尤为明显;当入射频率较低时,位移幅值在凸起地形附近变化明显。与此同时,刚性衬砌表面的动应力集中现象尤为显著。除此以外,结果还表明动力反应特征主要影响因素包括入射波角度、入射波频率及衬砌材料属性等。     

悬臂抗滑桩加固堆积型滑坡地震响应离心模型试验研究

为研究悬臂抗滑桩加固堆积型滑坡的地震响应、抗滑桩桩后动土压力和桩身弯矩分布规律,设计完成50倍重力加速度条件下的悬臂抗滑桩加固堆积型滑坡离心振动台模型试验。试验过程中,采用汶川地震清溪台站反演的基岩波作为基底输入,不断增大输入地震波的幅值,通过监测滑坡不同位置加速度响应、抗滑桩桩后动土压力和桩身应变研究不同强度地震动作用下悬臂抗滑桩加固堆积型滑坡的抗震性能。试验结果表明:滑坡土体中加速度响应随高程增加而增大,趋于坡顶时放大效果最大,具有明显的高程放大效应,而滑坡坡面处呈现浅表放大效应;抗滑桩加固使滑体土体响应受到一定限制;桩后动土压力随着地震动的输入迅速增大至峰值,此后保持稳定形成残余动土压力作用于抗滑桩上;抗滑桩各截面动弯矩呈现出凸形分布规律,弯矩最大值出现在基岩面附近处;桩后动土压力和桩身动弯矩均随着地震动强度的增大而增大。所得到的成果为边坡悬臂抗滑桩抗震设计提供良好的基础。     

基于地面地震反应输入的自由场地震反应分析

假设基岩面内某深度处的地震动为零，推证出以地表地震动作为输入的自由地基地震反应分析模型。     

堆积层斜坡地震动地形效应试验研究

 地震中已经观测到斜坡的地震响应会受地形的影响。因此,在划分堆积层斜坡坡面类型的基础上,开展不同坡形振动台模型试验。试验结果表明：输入强度较强的地震波时,斜坡表面加速度响应峰值放大系数大于斜坡内部,且斜坡中上部及表面曲率变化较大处(AC2)加速度放大效应更为显著。坡形的变化影响着斜坡自振频率,表现为上凸下凹型斜坡的自振频率接近于5 Hz,其他坡形斜坡接近于10 Hz。模型破坏的临界加速度阈值为500～700 Gal与斜坡稳定性计算结果基本一致。坡形影响斜坡的滑动面位置及厚度,曲率半径越大(凸型为正、凹型为负)的坡形滑动面厚度越大。滑动距离(与坡脚的距离)量测显示：直线型和上凹下凸型斜坡滑动距离最远危害范围大,凸型和上凸下凹型斜坡运动距离较远危害范围较大,凹型坡运动距离较近危害范围较小。因此,直线型和上凹下凸型斜坡的危险性(危害性)最高,凸型和上凸下凹型斜坡危险性较高,凹坡危险性最低。本研究的意义在于加强地震力作用下地形效应对斜坡稳定性研究的认识,为防灾减灾和灾害风险评价提供科学依据。     

基岩地震动随机特性有限元反分析算法

从有限元动力分析的基本原理出发,将地面地震运动看作一个随机过程,利用脉冲响应函数、随机振动理论和傅立叶变换原理,推导了由地面地震运动统计特性反算基岩地震运动统计特性的有限元反分析计算公式,提出了一种用于由地面地震动统计特性计算基岩地震动统计随机特性的二维有限元反分析法。该方法可由已知的地面地震动模型方便地计算出基岩地震动统计参数。算例表明:地层改变了地震动的频率组成,同时对基岩地震动有一定的放大作用,在地下结构抗震计算时,应以基岩地震运动作为地震动输入。     

基于DEM数据的地形效应经验预测模型研究

采用基于透射边界的有限元-有限差分计算方法，以凸起地形为研究对象，利用地形对地震动峰值加速度以及不同控制周期点反应谱的放大倍数描述地形效应。首先研究输入地震动类型、输入地震波波型、（SV、SH）、入射角度、地形几何参数（宽度、高度、坡角等）、介质阻尼、相邻地形相互动力作用等不同因素对地形效应的影响。由于地形坡度是影响地形放大效应的重要参数，而且，在数字化地形数据（DEM）中，地形的坡度也是最容易获取的几何参数。因此，选择地形坡度作为地形对地震动反应谱放大效应经验预测模型的参数。在坡度固定的条件下，考虑上述不同因素均对最终所得预测模型的不确定性影响，最终采用分位数的方式给出相应于不同地震动参数的地形放大倍数经验预测模型，并利用实际观测数据对该模型的计算结果进行校验。最后，利用该模型，基于数字化地形数据（DEM）给出南北地震带不同地点对应不同地震动参数的地形放大倍数，以期为工程抗震设计提供参考并为特大地震风险评估工作中合理地考虑地形效应提供依据。     

非饱和土成层场地波动问题的解析解及应用

现有地基场地波动问题研究中,多将地基土视为饱和、准饱和状态或单相介质,难以反映非饱和土体波动性质。在现有非饱和多孔介质波动理论的基础上,建立基岩上覆成层非饱和土复杂场地模型,采用传递矩阵法,分别求解了平面P波和SV波入射下基岩上覆成层非饱和土场地波动问题的解析解。通过与已有的基岩上覆单一非饱和土层波动问题的解进行对比,验证了该解的正确性。并利用该解答初步分析了当非饱和土层饱和度呈梯度变化时,地下水水位变化对地面运动的影响。分析结果表明:地下水位变化对地面运动的影响与入射波频率和入射角有关。相同频率下,当入射角较小时,地下水位变化对地表竖向位移的影响较大;地下水位变化对水平位移的影响随着入射角增加先增加后减小。相同入射角下,随着地下水位上升,地表竖向位移的峰值减小,峰值频率增加,而地表水平位移的峰值及峰值频率变化不大。     

铰链式护坡及其地震反应特性分析

考虑土与结构动力相互作用的影响,建立了铰链式护坡的非线性动力相互作用的有限元分析模型,对其进行了地震反应数值模拟,分析了在不同地震动作用下的应力、加速度和相对水平位移反应特性,结果表明：在相同强度和频谱的地震动作用下,护坡中上部和底部的最大动应力幅值较大,护坡顶部和底部的加速度和水平位移较大;在相同强度和不同频谱的地震动作用下,在Loma Prieta波作用下护坡的动力反应比Kobe波作用下护坡的动力反应大。从护坡的地震反应特性考虑,护坡顶部和底部是地震动作用下的薄弱区域,在抗震设计中应引起重视。另外,对于护坡的中上部也应引起相应的重视。     

地震动时-频特性对土层场地地震反应的影响

地震动非平稳特性对土层反应有重要影响。为了能够近似定量控制基岩地震动输入特性,文章首先基于时-频包线函数建立能够表征地震动频率非平稳特性的地震动拟合方法;然后选择3条主频率变化不同的加速度记录,引入两种不同的包线函数分别模拟地震动强度或频率非平稳特性,设计了用于土层地震反应分析的三种输入方案,拟合完成42条加速度时程;最后,采用非线性场地反应计算方法对三类土体模型进行计算,分析基岩地震动频率非平稳性对地表PGA和加速度反应谱的影响。结果表明：①文章基于时-频包线函数建立的地震动拟合方法能够近似定量控制目标地震动强度与频率非平稳特性,可用于基岩地震动输入的拟合;②当基岩地震动主频率变化显著时,不考虑频率非平稳则存在低估地表地震反应的风险,且场地越硬、基岩峰值越大,低估程度越显著;③地震动频率时变特征对土层地表反应谱高频部分(2～5Hz)的影响与地震动高频成分集中的时间和土层性质相关：当基岩地震动高频成分集中在强震段时,采用仅考虑强度非平稳的拟合方法可在较硬场地得到相对保守的结果;④地震动频率随时间的变化对反应谱放大系数的影响与场地类型和反应谱周期有关,当基岩峰值较大时,对较硬场地5Hz左右的频率成分影响更大,但对三、四类场地条件,则对1Hz左右的土层反应影响更大。因此在拟合基岩地震动时,特别是输入地震动的峰值较大时,应结合结构自振周期、场地条件、工程需要等因素,考虑基岩地震动输入的频率随时间的变化特征,采用全非平稳方法进行人工地震动模拟。文章的研究成果对工程实践中合理设置基岩地震动模拟参数具有重要的指导意义。     

基于ANSYS的三维自由场地震动反应分析

为探究自由场地震反应的基本规律和考虑土-结构相互作用(SSI)时的整体结构地震反应分析提供参考,采用ANSYS建立了三维自由场有限元模型,分别考虑了同一场地在三种不同水平两向基岩输入地震动以及三种不同类型场地在同一水平两向基岩输入地震动下的两种情况,对其进行了地震反应分析。通过对比和分析得到的各类场地地表中心点的绝对加速度、相对位移、各层土体的层间位移峰值以及绝对加速度峰值等指标,得出一些关于此类问题的有用结论,供工程设计及后续研究时参考。     

常德某电厂场地地震动反应分析

为了模拟50年超越概率为10％、2％、1％、震中距40km的地震,首先产生了基岩地面响应合成时程图,然后以合成的50年超越概率为10％、2％、1％的基岩地震波作为输入,使用一维剪切波理论对穿过场地土层的输入响应进行地震反应计算并分析地表动反应,最终目的是对常德地区某电厂场地进行地震反映分析。计算所得到的加速度时程图、加速度反应谱以及放大谱对工程设计人员有较大的帮助。