层状饱和半空间中沉积谷地对斜入射平面P1波的三维散射

在作者给出层状饱和场地三维精确动力刚度矩阵和层状饱和半空间中移动荷载动力格林函数基础上,采用间接边界元方法在频域内求解了层状流体饱和场地中沉积谷地对斜入射平面P1波的三维散射问题。该方法的特点在于虚拟移动均布荷载和斜线孔隙水压可以直接施加在沉积与层状饱和半空间交界面而不存在奇异性。该文通过与已有结果的比较验证了方法的正确性,并以均匀饱和半空间和弹性基岩上单一饱和土层中沉积谷地为例进行了数值计算分析。研究表明,沉积谷地对平面P1波的三维散射与二维散射之间存在本质差别,入射角度、孔隙率、饱和土层刚度和饱和土层厚度等参数对沉积谷地附近动力响应有着显著影响。     

SV波斜入射形成的动应力路径及影响因素分析

动应力路径是研究场地地震动力响应的关键。基于波动理论,推导了半无限弹性空间中任一深度处由SV波斜入射产生的动应力。在采用较大土体刚度参数,且SV波为垂直入射特例时,该方法与土动力学估算地震动应力的常规简化方法结果一致。揭示了SV波斜入射下形成的动应力路径特征,从数学上证明了SV波斜入射产生的动应力在双剪应力分量(偏差正应力和水平剪应力)组成的平面中形成斜椭圆形,并进行了参数敏感性分析,表明入射角、泊松比和单位波长深度是影响应力路径的根本因素,为进一步研究斜入射地震波作用下场地动力响应奠定了理论基础。     

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。     

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。     

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。     

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。     

坡形场地对海底地震动的影响

为了填补地形对海底地震动影响认识上的空白,本文通过数值模拟,分析了海底常见坡形场地的地震动特性。结合自编地震波动程序与有限元动力分析软件ADINA,建立不同坡度海底场地模型,分析了地形、入射角度等对海底场地响应的影响。通过比较不同坡度模型的场地响应与响应谱特征,确定地形对海底地震动的影响。结果表明：P波入射时,坡形场地对海底地震动的场地放大效应与场地坡度有关,且场地放大效应随着场地坡度的增大而增强,与陆上坡形场地地震响应规律区别较大。SV波入射时,坡形场地对海底场地地震响应无明显影响。     

S波由饱和土入射于弹性土时在界面上的反射与透射

从地震工程实际出发，借助Biot多孔介质中的波动方程，根据各种界面条件导出了S波从饱和土入射于弹性土时在交界面上反射与透射的一般计算公式。作为算例，数值计算分析了S波从饱和土入射于饱和土与弹性土交界面时，饱和土中P1、P2和S波的反射系数以及弹性土中P波、SV射系数与界面排水条件、入射角以及频率之间的关系。结果表明：各种波的反射、透射系数与入射角、入射频率以及界面排水条件有关系。     

不同SV波输入方向下山岭隧道的地震响应分析

首先,针对均匀半空间的三维模型,推导了地震波SV波输入下等效节点力的求解公式,建立了SV波的三维倾斜输入方法。通过与其他数值解对比,验证了输入方法的准确性。与以往建立的SV波输入方法只能相对三维模型的某一平面内改变输入方向相比,所建立的方法可在三维空间内任意地改变输入方向。最终,基于建立的输入方法,模拟了不同SV波输入方向下某长大隧道洞身段的地震响应规律。研究了SV波入射方向对隧道衬砌的塑性变形、轴向拉伸变形、轴向剪切变形、横截面出平面变形和横截面平面内变形的影响。通过数值模拟分析发现SV波输入角度对长大隧道洞身段的地震响应具有较大影响,在实际地震响应分析中应考虑SV波的入射方向。     

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。     

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。     

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。     

基于两向设计地震动的二维自由场构建

针对在设计地震动基础上构建平面半空间自由场的问题,在综合考虑水平向与竖直向设计地震动基础上获得平面半空间自由场,实现了将设计地震动与以任意角度组合入射的P波、SV波构成的自由场相联系。首先在已有成果的基础上,研究了以任意角度入射情况下P波及其反射波、SV波及其反射波对水平向和竖直向设计地震动的贡献;然后在假设入射P波、SV波与两向设计地震动具有相同频率组成的基础上,获得了以特定角度组合入射条件下P波、SV波的频谱和相位信息;进而通过傅里叶逆变换获得入射P波、SV波的时间序列;最后依据P波、SV波及其反射波在平面半空间的传播情况获得自由场条件下平面半空间内任意点的水平向和竖直向地震动。该文所采用的波场构建方法可实现对包含任意频谱和相位信息的两向设计地震动所对应的平面半空间自由场的构建,所获得的斜入射P波和SV波也具有各自的频谱和相位信息。最终得到的平面半空间自由场任意点水平向和竖直向地震动时间序列具有非一致性;根据入射P波、SV波结合地基边界条件确定的空间点地震动时间序列可用于结构的非一致地震动输入。     

基于设计地震动的覆盖层场地空间自由场构建

地震波在覆盖层场地的传播、透射及反射特性异常复杂,合理构建及表达覆盖层场地空间自由场是非一致地震动输入的关键。建立了覆盖层场地空间任一点地震动关于入射SV波、P波时程和入射角的表达式,基于地表水平和竖直两向设计地震动获得入射SV波和P波时间历程及入射角,考虑界面多次反射和土层阻尼引起的幅值衰减,构建了基岩-覆盖层场地空间自由场。与La Cienega场地实测台阵记录对比结果表明:不同深度的特征点两向地震动模拟值与实测记录符合良好,场地任意点水平和竖直地震动时程具有空间非一致性。该文提出的空间自由场构建方法为覆盖层-坝体系统非一致地震动输入提供基础。     

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。     

SH波作用下层状土层随机波动分析

提出了SH波作用下层状土层地震反应分析的随机波动分析方法。在这一方法中,将波动理论和随机振动理论结合起来,求解波动方程和土层地震反应的统计参数,可以准确而又方便地综合考虑地震波斜入射及基岩弹性刚度对土层地震反应的影响。随后进一步通过算例分析,讨论了基岩弹性刚度及SH波入射角度对半空间上均匀土层地震反应的影响及其规律,为工程中进行复杂土层的地震反应分析提供参考。     

P、SV波作用下层状土层随机波动分析

提出了P、SV波作用下层状土层地震反应分析的随机波动分析方法。在这一方法中,将波动理论和随机振动理论结合起来,求解波动方程和土层地震反应的统计参数,可以准确而又方便考虑地震波斜入射及基岩弹性刚度对土层地震反应的影响。文中进一步通过算例分析,探讨了P、SV波的入射角度、土层厚度以及基岩和土层间的剪切波速比等因素对土层随机地震反应的影响。