近断层/远场地震动作用下隧道结构易损性研究

以川藏铁路线控制性工程——折多山隧道为研究对象,建立隧道动力时程分析模型.结合场地地震动设计反应谱,选取近断层脉冲型地震动及远场地震动记录,用于增量动力分析隧道工程结构的抗震性能水平.初步探讨适用于隧道结构的地震动强度指标IM,分析不同特征部位隧道结构易损性,对比分析近断层脉冲型地震动及远场地震动作用下隧道结构的地震易...     

考虑地震动空间非一致性的岩体地下洞室群 地震反应分析

 阐述人工合成考虑空间非一致性的多点地震动加速度时程步骤,提供合理的空间非一致地震动输入。在此基础上,建立一大型地下洞室群的三维数值计算模型,分析一致与非一致两种地震动输入情况下该地下洞室群的地震响应特征。研究结果表明,洞室群地震响应与激振源的位移时程曲线形式接近,表明围岩的惯性效应可以忽略;地震波幅值对于地下洞室地震响应具有决定性作用,而地震动的空间非一致特性对于讨论的轴向长度水平(轴线长度尺寸为300～400 m)的地下洞室的破坏未产生不利影响。因此,在进行类似的岩体地下洞室地震动安全评价时可以不考虑地震动空间非一致性的影响。     

不同地震动输入方向下的大型地下岩体洞室群地震反应分析

以某水电站为工程背景,建立该水电站地下厂房大型岩体洞室群有限元-无限元耦合动力计算模型.在洞室群开挖稳定后所形成的二次应力场和地震动荷载联合作用下,进行不同地震动输入方向下的大型岩体洞室群地震反应研究.研究结果表明,地震动斜入射对地下岩体洞室群的动力反应和稳定性有不利的影响,在进行类似的大型地下岩体洞室群地震动安全评价时应考虑地震动输入方向的影响.     

大型地下洞室围岩稳定性的岩体结构控制效应研究

大型地下洞室围岩稳定性问题突出表现为大跨度、高边墙的巨大开挖面与岩体结构面组合而产生的围岩块体稳定性问题以及岩体结构对围岩变形破坏的控制和变形量预测问题.本文以三峡水电工程地下厂房为实例,通过大量的现场调查和实验及模拟分析,开展了大型地下洞室围岩稳定性评价中的岩体结构控制效应研究,重点是岩体结构对岩体质量及其宏观力学特性的控制效应.研究中以结构面网络模拟的结果为基础,以模糊信息优化技术、拉格朗日有限差分法、分形几何、损伤力学等技术、方法、理论为手段,初步解决了大型地下洞室的不同具体工程部位岩体质量及其岩体宏观力学参数的评价问题,为工程实践中这类问题的解决探索了一条新途径.论文主要内容包括以下几个方面:博士学位论文(1) 应用系统工程层次性理论,确定地下厂房区岩体结构面的分类原则和描述体系,通过对厂房区岩体结构面的系统调查、分类、统计研究,建立厂房区岩体结构面的确定性层次模型和统计模型.(2) 系统研究厂房区宏观贯通性结构面的工程地质特性及其工程控制效应,确定地下厂房中由控制性结构面和开挖面组合所产生的大型几何可移动块体的空间分布、规模、稳定状态及因素敏感性.(3) 通过对短小、断续性结构面统计特征的研究,将地下厂房区划分为5个岩体结构统计均质区,应用结构面网络模拟技术,研究各个岩体结构均质区结构面的发育分布特征,并以此作为岩体质量及其宏观力学特性研究的基础.(4) 在结构面网络模拟计算结果的基础上,应用模糊信息优化技术研究了厂房区各个岩体结构分区的岩体质量并与岩体基本质量指标[BQ]研究法、岩体质量指标RQD值研究法作了对比,结果表明以结构面网络模拟结果为基础,应用模糊信息优化技术进行岩体质量评价能够取得很好的效果.(5) 通过对已有的现场大型岩体变形试验结果的分析及相应试验点岩体结构分形特征的研究,建立了结构面分布的分形维数和岩体变形指标间的相关关系,并应用这种相关关系根据结构面网络模拟及分形维数计算结果确定缺少试验结果的地下厂房各具体工程部位的岩体变形指标而且应用于围岩稳定性计算.(6) 通过应用拉格朗日差分法对岩体强度指标的数值分析并与按连通率加权平均计算法及现场实验结果对比表明:模拟岩体力学实验与现场实验相结合可以简便易行地达到评价复杂岩体不同具体工程部位岩体强度参数的目的;按连通率加权平均计算法在考虑合理的折减系数情况下,可以简单快速地对缺少现场大型试验结果的具体工程部位实现岩体强度指标的估计.在此基础上研究了地下厂房各个岩体结构分区的围岩强度参数并应用于稳定性计算.(7) 通过结构面网络分形维数的研究,应用分形损伤耦合分析方法,研究了厂房区岩体的损伤特征,并引入"损伤度”的概念,建立了基于岩体损伤特征的岩体质量评价指标体系.(8) 分别应用二维及三维有限元数值模拟技术,研究了主厂房开挖后围岩二次应力场重分布的规律及岩体的变形破坏特征,从而对厂房开挖后围岩稳定性状况得出了明晰的认识.     

山体地形与地质结构面对地下洞室地震响应的影响研究EI北大核心CSCD

以大岗山水电站大型地下洞室为例,分别构建了地下洞室体系简化模型和考虑山体地形与不利地质结构的复杂模型,利用显式有限差分方法分析了山体地形和大型地质结构面对洞室围岩地震响应的影响,研究地下洞室地震变形规律及响应特征。研究表明:山形地表的反射波主要表现为P波作用,地质结构面的反射、折射波主要表现为S波作用;山体地形对地下洞室上部迎波面的地震响应影响要大于下部,且上部围岩的位移与加速度响应均有一定程度的放大。地质结构面对于边墙部位洞周岩体的地震变形幅值有较大影响,对围岩加速度的放大效应也比较显著,但主要集中在距离结构面分布位置较近的有限范围内,并且地质结构面对不同频率成分的地震波的影响规律不同。     

山体地形与地质结构面对地下洞室地震响应的影响研究EI北大核心CSCD

以大岗山水电站大型地下洞室为例,分别构建了地下洞室体系简化模型和考虑山体地形与不利地质结构的复杂模型,利用显式有限差分方法分析了山体地形和大型地质结构面对洞室围岩地震响应的影响,研究地下洞室地震变形规律及响应特征。研究表明:山形地表的反射波主要表现为P波作用,地质结构面的反射、折射波主要表现为S波作用;山体地形对地下洞室上部迎波面的地震响应影响要大于下部,且上部围岩的位移与加速度响应均有一定程度的放大。地质结构面对于边墙部位洞周岩体的地震变形幅值有较大影响,对围岩加速度的放大效应也比较显著,但主要集中在距离结构面分布位置较近的有限范围内,并且地质结构面对不同频率成分的地震波的影响规律不同。     

地震波参数对地下岩体洞室位移特性的影响分析

利用FLAC^3D初步分析了地震荷载作用下地震波振幅、频率及持续时间对地下岩体洞室位移特征的影响。分析结果表明，在地震荷载作用下，洞室位移随振幅以及持续时间的增大而增大，但随着频率的增大而减小，变化幅度随埋深和侧压系数的增加而减小。分析结果还表明，浅埋情况下，可能存在导致岩体洞室变形破坏的地震烈度门槛值，当地震烈度超过门槛值时，洞室位移值随振幅的增大呈陡变性增加趋势；同时，地震的长周期（低频率）特征对洞室的位移影响显著。低频地震波导致的洞室位移幅值明显高于高频地震波。     

高地应力条件下大型地下洞室群稳定性综合研究

 从认识论的角度提出数值仿真技术服务于地下工程实践的PFP分析方法,并随拉西瓦水电站地下厂房工程开挖进度分3个阶段对洞群围岩稳定性进行系统地分析和预测。研究成果表明：在高地应力硬岩洞室群开挖过程中,不同部位围岩位移具有明显的空间差异性和时间渐变性;岩体中应力表现出一定的波动性、转移性;多洞室交叉使得围岩松弛区域具有一定的特殊性;围岩破损模式和深度也具有区域差异性等。其成果为洞室开挖与围岩支护改进提供了科学依据,也被实际洞室开挖过程揭示的变形规律和围岩开裂、掉块等破坏模式所证实。这些高地应力下硬岩力学行为规律对其他类似地下工程围岩稳定性研究也具有较好的借鉴意义。     

地震荷载作用下地下岩体洞室位移特征的影响因素分析

用FLAC3D初步分析了地震荷载作用下埋深、洞室形状、地应力特征对地下岩体洞室位移特征的影响。分析结果表明:地震荷载作用下,地下洞室位移响应随埋深的增加而减小,当地应力侧压系数λ≥1(特别是λ>2时),洞室位移响应存在临界埋深(200～300m),并随地应力侧压系数的增加而减小。洞室断面形状对洞室位移响应有一定影响,圆形断面洞室拱顶和拱底位移较矩形和马蹄形小。分析结果还表明,随地应力侧压系数的增加洞室位移明显减小,幅度随埋深的增加有减小趋势,地应力侧压系数λ<1时的洞室位移量值及随侧压系数的变化幅度明显大于地应力侧压系数λ>1时的情况。本文的工作可为工程设计提供一些概念性指导。     

岩体赋存的地质力学环境对地下洞室稳定性影响研究

岩体赋存的地质力学环境直接影响地下洞室的稳定性,以西部地区某水电站地下厂房为背景,通过设计不同地质结构、岩体力学参数和初始应力场,采用弹塑性有限元数值计算开展了多种方案组合下的开挖模拟分析,探讨了不同的断层岩脉、岩体力学特性、初始应力场对地下洞室群开挖完成后的位移场、应力场和塑性区的影响,得到了一些有意义的规律和认识,可为地下洞室群的设计与施工提供参考和指导。     

Effects of a controlling geological discontinuity on the seismic stability of an underground cavern subjected to near-fault ground motions

The mechanism for the influence of near-fault ground motion on seismic issues for underground rock caverns has seldom been addressed, especially for caverns controlled by large geological discontinuities. In this paper, a nonlinear joint model was used to simulate the effects of unfavorable geological discontinuities under seismic excitation. The influence of near-fault ground motion on unfavorable geological discontinuities was analyzed using a large sample of ground-motion records collected from the NGA-West2 database. A damage potential index (DPI) for unfavorable geological discontinuities was proposed and discussed. The #1 surge chamber of the Baihetan Hydropower Plant, which is dominated by interlayer shear weakness zone (ISWZ) C2, was used as a study case to investigate the differences between pulse-type near-fault ground motion, non-pulse-type near-fault ground motion, and far-field ground motion. The results of the study indicate that (1) significant velocity and displacement as well as a stronger long-period response spectrum are key characteristics of pulse-type near-fault ground motions, whereas non-pulse-type near-fault ground motions display characteristics similar to those of far-field ground motions; (2) the velocity pulse is responsible for the destructive capabilities of near-fault ground motions; (3) the peak ground velocity (PGV) was shown to be the most suitable DPI of several ground-motion parameters for large geological discontinuities under seismic excitation (applicable to both near-fault and far-field ground motions); and (4) PGV was verified to be the most effective DPI for ISWZ C2 at the Baihetan #1 surge chamber. The cavern became fragile when subjected to near-fault ground motions, so special seismic reinforcement measures are recommended. These findings may provide a reference for the seismic design of underground caverns.     

近断层脉冲型地震作用下防屈曲支撑-钢筋混凝土框架结构的抗震性能

具有向前方向性效应和滑冲效应的近断层脉冲型地震动对建筑结构的破坏已受到工程界的广泛关注。为了解设置防屈曲支撑（BRB）的混凝土框架在近断层脉冲型地震动激励下的抗震性能,采用基于能量平衡的塑性设计方法完成了3个V形BRB支撑的RC框架结构的抗震设计。分别选取具有向前方向性效应和滑冲效应的脉冲型以及非脉冲型三组共36条近断层地震动,对结构进行罕遇地震作用下的非线性动力分析,研究了结构的最大层间位移角、最大顶点加速度、最大顶点位移和BRB的轴向性能;分析和评估了结构在3条典型地震动激励下的地震响应。结果表明：近断层脉冲型地震动比非脉冲型地震动对结构会产生更大的地震响应,且响应显著集中于速度脉冲时刻;BRB能充分发挥其耗能特性,提高RC框架结构体系的抗震性能。     

Comparison of dynamic response of isolated and non-isolated continuous girder bridges subjected to near-fault ground motions

The dynamic response of seismic isolated continuous girder bridges subjected to either near-fault or far-field ground motions is compared to the non-isolated ones. Near-fault earthquake ground motion data are collected from the 1999 Taiwan Chi-Chi earthquake. The earthquake data recorded at the same sites from other events serve as far-field ground motions. Typical three-span continuous concrete box girder bridges designed under Taiwan seismic design specifications of highway bridges are adopted for this study. These bridges are assumed straight, founded on rigid rock and only the longitudinal response is considered. Parametric studies for the dynamic responses of isolated bridges by input near-fault ground motions are developed. The PGV/PGA value of near-fault earthquake records is identified as the key parameter governing the bridge response.     

近断层地震动作用下基础隔震结构的一体化动力优化设计

首先讨论了近断层地震动的脉冲运动特征和特性参数,并以台湾集集地震实际脉冲型近震记录作为地震动输入,以上部结构最大层间位移和构件体积最小化为目标,应用含潜在约束策略的序列二次规划算法,对安装铅芯橡胶隔震支座的钢筋混凝土框架隔震结构进行一体化优化设计,同步确定隔震器参数和上部结构构件截面几何尺寸。然后输入ElCentro(1940)、Hachinohe(1968)非脉冲型近断层地震动记录进行隔震结构一体化优化设计。计算结果表明,本文隔震结构优化设计得到的结果是合理的,与其他作者通过参数分析确定的隔震器最优参数具有可比性;对考虑脉冲型近断层地震动作用的隔震结构进行参数优化设计后,该隔震结构能同时满足脉冲型和普通非脉冲型近震作用的结构设计需求。反之,对非脉冲型近断层地震动作用的隔震结构进行参数优化设计后,该隔震结构不能满足脉冲型近震作用的设计需求。     

近场地震作用下型钢-混凝土组合结构桥易损性分析

考虑近场速度脉冲型地震动特征,对型钢-混凝土组合结构桥梁的地震易损性进行分析。以一座工字型钢-混凝土组合梁桥为例,从PEER数据库挑选60条近场地震动记录作为输入,对桥梁结构整体性能和局部性能两个层次的易损性进行分析,给出了桥梁结构的整体和局部地震易损性曲线。通过与远场地震作用下的桥梁结构地震易损性分析结果的对比研究,发现：近场速度脉冲型地震引起的桥梁结构整体和局部地震需求均显著大于远场地震|在近场地震作用下,桥墩是型钢-混凝土组合桥梁的最易损构件,混凝土横梁与栓钉的易损性水平低于桥墩。     

大型地下洞室岩梁开挖主要工程地质问题及处理措施讨论

为研究地下洞室岩梁主要工程地质问题及其应对处理措施,通过分析白鹤滩水电站岩梁地质条件、破坏特征、影响因素、不利后果等,对岩梁主要地质问题进行归类,分析产生原因,总结处理措施,研究认为岩梁主要地质问题有围岩变形、卸荷回弹、破裂破坏、松弛破坏、块体破坏、缓倾角软弱结构面影响、陡倾角裂隙影响等,为最大限度的避免不利地质条件影响,应在洞室选址、方案布置时便充分考虑,开挖前详细制定岩梁开挖方案,必要时采取预处理措施,对开挖后发生的围岩破坏,可针对性的采用机械挖除、预应力加固、增加插筋、混凝土修补、设置扶壁墙、固结灌浆、锚索加固等措施。     

近断层脉冲型地震动作用下建筑结构的层间变形分布特征和机理分析

利用广义层间位移谱方法,将高层建筑等效化为一个弯剪型悬臂梁,从地面输入理想的简单脉冲,以及含破裂向前方向性效应脉冲、滑冲效应脉冲和无脉冲三组近断层地震动记录,然后对弯剪组合梁进行层间变形分析。获得了近断层地震动作用下建筑结构层间变形沿高度的分布规律。滑冲效应脉冲主要激起抗弯框架体系的基本振型响应,导致结构的最大层间变形发生在较低楼层;破裂向前方向性效应脉冲能够激起框架结构高阶振型的响应。而且,从脉冲型地震动的不同特征和层间位移谱分析出发,分析了建筑结构产生上述层间变形分布特征的机理。研究表明三组不同类型地震动的平均层间位移谱在整个结构基本周期段差别很大。     

近场与远场地震动作用下单层柱面网壳结构易损性分析

与远场地震动不同,近场速度脉冲型地震动具有瞬时能量大、幅值大、脉冲周期长等特点,但目前少有学者关注其对网壳结构的影响。以三向网格型单层柱面网壳为研究对象,采用40条近场速度脉冲型地震动及40条远场地震动作为输入,对9例网壳结构进行增量动力分析,基于分析结果建立网壳结构的概率地震需求模型及抗震能力模型,获得网壳结构的易损性曲线,并对比研究两组地震动作用下网壳结构的极限状态失效概率。结果表明：与远场地震动相比,近场速度脉冲型地震动会造成单层柱面网壳结构更为严重的损伤,且损伤指数的离散性更大;近场速度脉冲型地震动作用下单层柱面网壳结构的极限状态失效概率要显著大于远场地震动作用下的极限状态失效概率。