不同衬砌刚度下山岭双洞隧道地震动力响应分析

为研究不同衬砌刚度下的山岭双洞隧道地震响应情况,采用波动理论结合数值计算的方法,以雅泸高速公路勒不果喇吉隧道为背景,计算并分析不同衬砌刚度下双洞隧道的地震响应。采用波动散射理论分析P波作用下双洞圆形隧道衬砌的动应力系数级数解,波动分析结果表明:双洞圆形隧道衬砌的动应力系数与双洞隧道的间距、衬砌刚度以及P波频率均有重要关系。双洞隧道间距越小,衬砌刚度越大,圆形隧道衬砌动应力系数越大;平面入射P波频率越高,双洞圆形隧道衬砌动应力系数越小。基于FLAC~(3D)分析软件建立了山岭双洞隧道地震响应三维数值分析模型,计算结果表明:刚性衬砌下隧道结构的地震响应明显高于柔性衬砌,说明柔性衬砌可以减弱隧道的地震动力响应,具有一定的减震作用,但柔性衬砌的地震响应位移高于刚性衬砌。数值分析结果与波动理论分析相吻合。     

隧道–土体–地表结构相互作用体系地震响应影响因素分析

为探讨地下结构近距离穿越地表结构时二者之间地震响应的相互影响规律,建立隧道–土体–地表框架结构相互作用体系计算模型,系统研究对该体系地震响应影响显著的参数,具体包括:隧道的直径和埋深、土体的分层特性、框架结构的高宽比及其与隧道圆心的间距、输入地震波特性等。计算分析表明:(1)隧道对体系自振特性影响并不显著,但地表框架结构则显著改变了体系的频率特征;(2)隧道对地表框架结构地震响应的影响主要与隧道的半径相关,较大的隧道半径可阻隔地震波的传播,从而起到一定的减震功能;(3)由于考虑的框架结构质量相对较轻,地表框架结构对隧道地震响应的影响不显著;(4)由于地震波频谱成分及结构自身频率的影响,不同地震波对体系地震响应的影响十分显著;(5)土的分层特性改变了土体的刚度,因而也影响了体系的地震响应。研究成果可为初步定性确定地下结构与临近地表结构地震响应的相互影响提供参考。     

强震下隔震结构碰撞地震响应分析

以一8层隔震结构为例,使用Perform-3D软件分析考虑强震下结构间碰撞对隔震结构地震响应的影响。分析结果显示,隔震结构发生碰撞后隔震效果减弱且其隔震层位移与地震波峰值成正比,与碰撞刚度成反比。其次,一旦结构发生碰撞,则其塑性耗能就会增加。除此之外,结构的碰撞还会引起结构层间位移的增大,碰撞越剧烈上部结构震动就会越显著。对于结构的加速度,碰撞引起的响应要根据地震波响应程度而定。当输入地震波对结构响应较小时,碰撞刚度越大上部结构的响应就越大;当输入地震波对结构产生响应较大时,上部结构各楼层的加速度响应尚无法给出确定变化趋势。     

带限位多层隔震结构抗震影响参数研究

高烈度地震下隔震层较大水平位移易造成碰撞或上部结构失稳倾覆,限位装置能够降低其倾覆概率。首先,对多自由度隔震结构设置带间隙弹簧限位装置动力学方程进行了讨论;其次,结合某4层隔震框架结构进行了限位方案设计,并针对限位间距(D)、限位刚度(K)取值范围进行了分析;最后,进行罕遇地震下带限位隔震结构数值计算,并结合顶层加速度峰值、层加速度、层位移、层剪力峰值等指标展开抗震性能对比分析。结果显示随着限位间距D减小、限位刚度K增加,限位效果提升但易造成上部结构响应发生突变,对隔震结构响应影响较大。当限位间距D与罕遇地震下隔震层位移Drar比值在[0.38,0.69]、限位刚度K与罕遇工况隔震层刚度Kh比值在(0,1)时限位效果较好,且降低了上部结构响应突变影响。     

隧道对场地及地表结构地震响应影响分析

隧道的存在会导致场地土层以及地表结构的地震动力响应发生变化,为研究这种影响,建立了隧道-土体-地表结构相互作用体系的平面应变计算模型,同时考虑了隧道半径以及刚度变化的影响。根据模拟结果可得:由于隧道的存在,地表一定范围内的地震加速度发生显著变化;隧道半径的变化对地表加速度、地表结构地震响应的影响显著,半径越大的隧道对于地震波的阻隔作用越为明显。研究结果表明隧道对场地加速度及地表结构的影响不容忽视。     

轻木-混凝土上下混合结构的抗震设计方法

对12个不同层数组合的轻木-混凝土上下混合结构进行有限元模拟分析,通过振动模态、非线性动力时程响应以及刚度比等的参数分析,研究了上部木结构的水平地震作用的放大效应。研究结果表明,上部木结构的水平地震作用放大效应与地震水准、下部结构与上部结构的刚度比、混凝土结构层数和木结构层数等因素有关:放大效应随地震水准的提高而增大;当下部与上部结构的刚度比在一定范围内时,放大效应随刚度比的增大而减小,当下部与上部结构的刚度比大于一定范围的上限后趋于平稳;当下部混凝土层数一定时,放大效应随上部木结构层数的增加而减小;当上部木结构层数一定时,放大效应随下部混凝土层数的增加而增大。根据研究结果,对轻木-混凝土上下混合结构提出上下分开设计、上部结构按刚度比考虑地震作用放大效应的抗震设计方法。     

交叉地铁隧道对上部结构影响的地震反应分析

为了研究地铁隧道对上部结构的影响,本文采用建立了层状场地交叉隧道和上部建筑物的地震反应三维有限元模型。主要分析了交叉隧道角度、交叉隧道垂直距离、隧道截面形状等因素在不同地震波情况下对建筑物地震反应的影响。并且还与平行隧道情况进行了比较。研究表明:交叉隧道角度的增加会减小地震波对上部建筑物的影响,在90°时影响最小;交叉隧道的垂直距离越大,地震对建筑物影响越大;较大面积隧道截面可以阻隔地震波的传播,从而起到一定的减震功能。地震波本身对建筑物影响有着至关重要的作用,相同的场地土对不同地震波有不同的放大或缩小作用。     

下穿隧道-土-地表邻近框架结构相互作用体系

在中国城市轨道交通快速发展的推动下,隧道等地下结构近距离下穿地表建筑物的案例越来越多。对于相互穿越工程,较多的关注在于隧道等地下结构动态施工对地表建筑物安全的影响,而忽视了隧道建成后对被穿越的地表临近建筑物抗震性能的影响。拟结合某实际工程,建立盾构隧道-土体-地表邻近框架结构相互作用体系二维数值计算模型,对比分析隧道与邻近框架结构相互之间地震响应影响规律。计算分析表明：①隧道的存在使隧道两侧土体表面出现一个地震响应放大区;②下穿隧道对地表框架结构的地震响应有部分影响,但影响程度有限;③地表结构的存在对隧道结构地震响应的影响较小,可忽略不计。研究成果可为地下结构的规划以及地表结构与地下结构的抗震设计提供参考。     

平面P1波入射下双层衬砌对海底隧道地震响应的影响

将海水和海床土分别视为理想流体和饱和多孔介质,基于理想流体波动理论和Biot流体饱和多孔介质理论,考虑海水-海床土-隧道结构动力相互作用,利用波函数展开法和Hankel函数积分变换法,给出平面P₁波入射下海底双层衬砌隧道地震响应的解析解。与以往的“大圆弧假定”方法相比,Hankel函数积分变换法可以将海底双层衬砌隧道场地中的散射波场势函数从柱坐标系下直接转换到直角坐标系下,可以更好地处理海水层表面和水土交界面处边界条件。在解析解的基础上,分析内外衬砌刚度比和内外衬砌厚度比对海底双层衬砌隧道位移响应和应力响应的影响,对海底双层衬砌隧道的抗减震设计提出合理建议。研究结果表明：(1)海底双层衬砌隧道的应力响应明显小于同参数条件下的单层衬砌隧道;(2)内外衬砌刚度比和厚度比对隧道位移响应的影响与隧道衬砌位置有关;(3)随着内外衬砌刚度比和厚度比的增加,隧道外衬砌应力响应均有减小趋势;(4)综合内外衬砌刚度比和厚度比对隧道位移响应和应力响应影响,海底双层衬砌隧道抗减震设计时,隧道内外衬砌刚度比和厚度比的选取范围分别建议为E₂/E₁...     

多维地震下考虑地表建筑的土和隧道的振动台试验研究

目前关于地下结构–土体系的地震响应研究多为未考虑竖向地震作用和周围建筑的影响。以隧道–土体系为研究对象,考虑10层地表建筑的影响,进行多维地震波作用下的振动台试验,研究隧道和周围土体的动力响应规律。试验结果表明：隧道和土体在双向地震动输入下的地震响应均大于单向地震动输入的响应。随着地震波输入维数的增加,土体的频谱没有改变。土体和隧道在远场地震波作用下的反应较为强烈,但由于近场地震波具有高能量的速度脉冲,随着输入地震动强度的增大,土体和隧道在两种地震波作用下加速度响应的差异逐渐减小。上部结构–桩基的存在导致隧道中间断面与端部截面处应变的不同,与隧道的端部截面相比,中间断面右侧的应变增大,左侧的应变减小。     

Dynamic centrifuge tests on isolation mechanism of tunnels subjected to seismic shaking

Isolation layer is one of the countermeasures to enhance seismic safety of tunnels. Its behavior under earthquake is affected by many factors such as shape of the tunnel, stiffness of the isolation layer and the characteristics of the input motion. However, current knowledge on the effects of these parameters on the seismic behavior of isolation layer is limited to lack of experimental data. This paper focuses on the mechanism of isolation layer, especially the efficacy of input motion frequencies on the seismic behavior of a square tunnel with isolation layer around its outer surface. Dynamic centrifuge tests were carried out on model tunnels which took isolation layer as seismic countermeasure using input motion of sinusoidal waves of different frequencies. Actual records of ground motions, magnified to approximate 15 g peak acceleration, formed the basis of the excitations to verify the actual efficacy. Due to the difference between model material (aluminum alloy) and prototype material (concrete), the similar flexural deformation law and the similar axial deformation law could not be satisfied simultaneously. Given the fact that cross-sectional moments were one of the main factors that influenced the safety of tunnels under dynamic loadings, the similar flexural deformation law was accepted in model preparation. The results show that the bending strains of tunnel with isolation layer around its outer surface are lower than those of tunnel without isolation layer, which indicates that isolation layer has positive effect on moment reduction, especially at corners. Increasing of the input motion frequency decreases the dynamic cross-sectional bending moments. In addition, isolation layer has little influence on frequency contents of acceleration response of tunnel. This study has clarified the mechanism of isolation layer on shock absorption, which is proved to be an effective method to improve the safety of tunnel against earthquake.     

考虑碰撞效应的相邻框架结构地震易损性分析

针对间距不足和高度不等的相邻钢筋混凝土框架结构,设置考虑碰撞刚度和阻尼非线性的碰撞单元,通过对三维非线性有限元模型的时程分析研究地震碰撞效应,并开展增量动力分析,分别以所有层和碰撞层最大层间位移角为工程需求参数,提出考虑碰撞效应的地震易损性分析方法。以6层和4层、6层和5层、6层和3层相邻钢筋混凝土框架结构为例,对比分析不同周期比下考虑与不考虑碰撞效应的相邻结构地震易损性曲线。结果表明：对于6层和4层相邻结构,考虑碰撞效应后,6层结构所有层的最大层间位移角对应的失效概率略有减小,4层结构的反之,而较低结构的碰撞层及较高结构的碰撞层以上层的最大层间位移角对应的失效概率明显增大,即碰撞效应对结构整体响应影响不明显,而对局部响应影响显著;6层和5层、6层和3层相邻结构地震易损性曲线具有类似规律,且相邻结构自振周期越接近,碰撞对结构地震易损性影响越小。     

沉积河谷-衬砌隧道体系对平面P波的散射

沉积河谷对地震动的放大效应已为地震观测和理论研究所证实。现实中有大量隧道穿越河谷情况,而河谷中隧道地震反应规律尚不明确。为此,本文建立沉积河谷-衬砌隧道整体二维平面应变模型,基于一种高精度边界间接积分方程法,对河谷中隧道地震响应及动应力集中进行模拟分析。大量参数计算结果表明:沉积河谷中隧道地震反应更为剧烈,动应力集中更为显著,应力峰值可达到入射波应力幅值的数十倍。随隧道埋深加大,应力频谱振荡加剧且峰值频率发生明显变化。部分频率段,隧道对河谷地表位移同样有较大的扰动。穿越河谷隧道的抗震设计需考虑河谷中地震动放大效应对隧道内力和变形的显著影响。     

相对刚度对圆形隧道结构地震反应影响规律的研究

隧道结构与周围地层的相对刚度是两者之间相互作用的根本,本文针对圆形隧道,采用动力有限元方法分别讨论了土质条件(剪切波速)、衬砌厚度、衬砌直径等参数对结构地震反应的影响规律。然后引入柔度比的概念来综合考虑上述因素的影响。计算结果显示:柔度比越大,隧道结构的地震内力反应越小,并且对计算结果进行拟合得到衬砌内力与柔度比的函数关系,可以作为隧道结构抗震分析、设计的参考。     

长周期地震动下软土地基的偏心基础隔震结构振动台试验研究

远场长周期地震动使基础隔震结构地震响应强烈,且软土地基-结构相互作用（SSI效应）使隔震结构地震响应更大,而偏心基础隔震结构在双向水平地震作用下将发生扭转效应,极易导致隔震层位移增加。为研究远场长周期地震动下软土地基SSI效应对偏心基础隔震结构地震响应规律及减震效果的影响,对高宽比为3的4层荷载偏心钢结构缩尺模型进行刚性、软土地基上的双向振动台试验。结果表明:软土地基上结构采用隔震技术后,周期延长比低于刚性地基结构体系,使减震效果下降;SSI效应在一定程度上会降低结构层间扭转响应,但在隔震层会出现较大扭转角;与普通地震动相比,远场长周期地震动下SSI效应对隔震结构响应影响程度更大,隔震层位移可能超限,总体减震效果较差。建议为保证软土地基上基础隔震结构的安全,应考虑SSI效应后进行结构设计,且远场长周期地震动的不利影响不可忽视。     

沉管隧道地震反应分析局部精细化建模中的几个问题

通过大型沉管隧道的实例分析和前期研究成果,重点讨论沉管隧道地震反应分析中建立局部三维精细化模型时所应关注的4个问题:1模型范围大小的问题;2上覆水体动水作用的简化;3时域分析中阻尼矩阵的合理建模及其影响;4地震输入方式的选择与影响等。文中通过工程算例验证局部三维精细化建模的合理方式,研究结果表明:考察某段沉管管节的地震反应时,应至少考虑该管节两端各三段相邻管节的影响和轴向5倍以上土层厚度范围的土层影响;上覆水体可近似采用等效附加质量的方式模拟;当沉管隧道-土层体系的基频低于输入地震波的卓越频率时,易采用基于体系基频的优化方法来确定Rayleigh比例阻尼矩阵的比例系数;沿沉管隧道轴向的多点地震输入对隧道地震反应有较大影响,应加以充分关注。     

Shaking table test of eccentric base-isolated structure on soft soil foundation under long-period ground motion

远场长周期地震动使基础隔震结构地震响应强烈，且软土地基-结构相互作用（SSI效应）使隔震结构地震响应更大，而偏心基础隔震结构在双向水平地震作用下将发生扭转效应，极易导致隔震层位移增加。为研究远场长周期地震动下软土地基SSI效应对偏心基础隔震结构地震响应规律及减震效果的影响，对高宽比为3的4层荷载偏心钢结构缩尺模型进行刚性、软土地基上的双向振动台试验。结果表明:软土地基上结构采用隔震技术后，周期延长比低于刚性地基结构体系，使减震效果下降；SSI效应在一定程度上会降低结构层间扭转响应，但在隔震层会出现较大扭转角；与普通地震动相比，远场长周期地震动下SSI效应对隔震结构响应影响程度更大，隔震层位移可能超限，总体减震效果较差。建议为保证软土地基上基础隔震结构的安全，应考虑SSI效应后进行结构设计，且远场长周期地震动的不利影响不可忽视。     

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。     

SV波斜入射对岩体隧道洞身段地震响应影响研究

基于显式有限元方法并结合黏弹性人工边界条件,推导了SV波斜入射时人工边界面上等效节点力的计算公式,并基于通用有限元软件实现了SV波的倾斜输入。采用简单算例验证了SV波斜入射输入方法的准确性。分别考虑了SV波在隧道横断面和纵断面内斜入射工况,研究了SV波斜入射条件下岩体隧道洞身段地震响应规律。计算结果表明：SV波斜入射时的隧道地震响应规律与垂直入射时具有较大的差异;SV波在不同断面内斜入射时隧道的地震响应结果也具有较大差别。     

Damage observation and assessment of the Longxi tunnel during the Wenchuan earthquake

The Longxi tunnel was one of the most damaged tunnels during the 2008 Wenchuan earthquake in China. What makes the case interesting is that the tunnel crosses a fault zone. Damage from small to heavy cracking was observed both at the portal and inside the tunnel, while sections close to the fault completely collapsed. A full three-dimensional dynamic finite element model of the tunnel and rock system is used to assess the seismic damage observed in the tunnel and to evaluate the influence of the longitudinal and vertical motions on the seismic response. A comparison between the numerical predictions and the damage reported shows a good agreement. The results indicate that the longitudinal earthquake motion has a significant effect on the response of the tunnel structure and should be considered for the structural design of tunnels in seismic zones. In contrast, the vertical seismic motions can generally be neglected.