地下管道随机反应与动力可靠性分析

城市供水管网是生命线工程的重要组成部分,由于受到工程场地地震动随机性的影响,其系统结构响应和服务功能也应呈现显著的随机性。传统的埋地管线地震反应分析既不能考虑管网拓扑结构的影响,也难以反映随机地震动的作用,同时,管线的结构响应未能落实到系统的功能性评价之上。为了解决上述三个难题,该文在工程场地地震动随机场物理模型的基础之上,通过引入埋地管网地震反应分析模型,结合概率密度演化方法,实现了具有非线性特性的埋地管网的随机地震反应分析;进而,结合管网流体的瞬变流分析理论,实现了城市供水管网的动态抗震功能反应分析,为供水管网的抗震功能可靠度研究奠定了基础。     

城市供水管网系统抗震功能可靠度分析

借鉴结构可靠度分析方法,给出了供水管网抗震功能可靠度分析的一次二阶矩方法.将渗漏面积作为供水管网管线震害的量化参数,使得震后供水管网的功能能够通过带渗漏供水管网的水力分析结果加以反映.通过引入供水管网系统随机水力模型,建立了渗漏面积为随机参数时管网节点水压的均值及方差计算格式.应用一次二阶矩方法,得到供水管网系统的抗震功能可靠度.通过实例分析反映了随机参数的相关系数对管网抗震可靠度的影响,并且比较了均值一次二阶矩法和改进一次二阶矩法的计算结果.     

科学家介绍-王前信研究员

城市供水管网是生命线工程的重要组成部分,随着韧性城市研究和建设的开展,以系统的视角重新审视供水管网的综合防灾减灾能力,建立一种可有效反映管网震后恢复过程的量化的抗震韧性评估方法成为一种现实需要。该文基于供水管网震后恢复的典型过程,提出了供水管网地震灾后恢复的4个特征阶段,并针对应急阶段和抢险阶段,提出了一种基于系统动力学理论的供水管网动态抗震韧性评估方法。该方法不仅可以有效地反映地震灾后外部需水要求随人群迁移和火场变化而变化特征,而且可有效评估救援资源对管网功能恢复的影响,并实现供水管网的动态抗震韧性评估。

     

埋地管线地震反应中日美规范对比研究

地下管线是城市生命线工程的重要组成部分,承担着城市供水、供气、供热等重要任务,一旦发生地震,对居民的正常生活和城市灾后恢复将产生重要影响。中国、日本、美国三国作为世界抗震强国,其对地下管线的抗震设计各有特色,然而,既有的研究或者重于三国管线抗震设计原理的分析,或者重于三国建筑结构抗震设计的对比,未能对地下管线的抗震设计进行全面的分析和对比。该文针对此问题,对中日美三国地下管线的抗震设计进行了详细地对比研究,并讨论了相互之间如何进行抗震设计参数的转化以实现协调一致。最后,该文用两个算例表明了该文研究的实用性和可行性。     

埋深对地下结构振动台模型试验结果的影响

振动台试验(单位重力加速度下)为开展地下结构抗震研究工作常用的试验方法,但已开展试验结果的差异较大,有时地下结构模型在极罕遇地震作用后仍然基本完好,这对获取期望的损伤破坏试验结果带来问题。产生这种现象的因素有很多,其中模型结构埋深即为关键影响参数之一。该文结合自由场大型振动台试验和整体式反应位移法分析埋深对地下结构振动台试验结果的影响,通过自由场振动台试验获取分析自由场土体在大型振动台试验中沿埋深方向的位移、剪应力、剪应变和加速度分布,并基于此,结合整体式反应位移法开展不同埋深模型结构的有限元数值模拟。结果表明:埋深不同本质上改变了模型结构所受土体变形、剪力和惯性力大小,但这些改变与结构埋深的相似比无直接关系,仅与土体本身特性和外荷载等信息有关。因此在开展试验设计时,应结合场地的地震响应来确定模型结构的埋深。在振动台试验中,土体的变形对模型结构的地震响应起决定性作用,此部分作用约占总响应的70%～80%,将结构埋置于场地最大相对变形区域可获取模型结构最不利的地震响应。     

简谐波地震动反应谱研究

简谐荷载作用下单自由度体系的动力反应是典型的结构动力学问题,也是地震工程中研究结构地震反应的基础.对简谐地震动反应谱特性的研究有利于认识地震动、尤其是近场地震动的特性以及它对结构地震反应的影响.基于结构动力学的基本理论,推导了简谐地震动作用下,单自由度体系的理论解、瞬态解和稳态解.分析了简谐地震动全解反应谱、稳态解反应谱和瞬态解反应谱的特性并讨论了它们之间的关系.研究结果表明:在简谐地面加速度作用下,高频地震动也可以引起长周期结构产生很大的位移反应,且最大位移反应出现在结构的瞬态自由振动阶段.这不仅揭示了近场地震动对结构反应的重要影响,也从另一个侧面揭示了近场地震动的潜在破坏作用,而且提出了在近场情况下结构抗震不可忽略结构的瞬态自由振动影响的观点.     

地震和波浪联合作用下斜拉桥随机动力分析方法

分别采用Morison方程、辐射波浪理论和绕射波浪理论求解桩基、承台所受动水压力和波浪力,考虑行波效应、空间相干效应和局部场地效应,基于虚拟激励法,建立了多维多点地震和波浪联合作用下斜拉桥随机动力分析方法。采用蒙特卡罗法计算了考虑、不考虑荷载非线性时的结构响应,通过比较计算结果验证了所建立方法的适用性;分析动水压力和波浪力对斜拉桥随机地震响应均方根的影响,研究了斜拉桥随机响应功率谱密度分布趋势和变化规律。结果表明:该方法可以考虑荷载随机性,计算多维多点地震和波浪联合作用下斜拉桥响应;动水压力刚性附加质量是导致斜拉桥水下结构纵向内力增大的原因;动水压力和波浪力对桥塔水下结构地震响应的影响随场地条件改变,地震输入能量分布在高频域时,动水压力和波浪力对桥塔水下结构影响更大。     

基于响应面法的复式钢箱提篮拱地震可靠度分析

地震可靠度是桥梁抗震研究中的重要问题。基于随机分析的响应面理论和规范反应谱法,提出了一种分析具有随机结构参数的桥梁地震可靠度的方法,研究了复式钢箱提篮拱桥在地震激励下,结构设计基准期内的可靠度。分析时考虑了结构参数和场地土的随机性,分别计算了钢箱提篮拱桥主、副拱肋在多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下的失效概率,得到了主、副拱肋在设计基准期内,按规范“三水准设防标准”条件下的地震可靠度。计算结果表明,该桥设计满足抗震规范要求。     

供水管网地震功能的失效分析

在地震发生后,供水管网一般处于渗漏工作状态。为了评价城市供水管网的抗震能力,需要进行震后带渗漏供水管网的水力分析,对震后供水管网的流分析方法进行了改进,并建立了震后带渗漏供水管网的水力分析模型,通过连通性分析和连续性方程求解,计算得到震后节点的供水量和节点压力,进而评价供水管网的地震功能。另外,以某供水管网为例,演示了该方法的可行性。为供水管网的抗震设计、城市供水系统的抗震能力预测、提高震后救灾恢复的效率具有重要的指导作用。     

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。     

考虑近断层脉冲型地震动影响的埋地管道地震易损性分析

近断层脉冲型地震动具有短时高能量的脉冲特性,会对埋地管道等长周期结构造成较为严重的破坏。为研究近断层脉冲型地震动影响的埋地管道抗震性能,该文基于简化速度脉冲模型,结合脉冲周期、脉冲峰值的经验统计公式,模拟了不同地震动的方向性脉冲分量和滑冲脉冲分量,通过与ATC-63报告推荐的远场地震动中的高频成份进行叠加,合成了具有多种频率成分的近断层脉冲型地震动;在此基础上,进一步考虑空间变异性,生成了的空间相关多点非平稳地震动。利用ANSYS软件进行有限元建模,输入人工合成的地震动进行增量动力时程分析,建立了PGV与埋地管道最大应变之间关系的概率地震需求模型,结合管道极限破坏状态的划分,进而建立了考虑不确定性的不同管材、管径、壁厚及填覆土的埋地管道地震易损性模型。该模型为跨断层埋地管道地震风险评估中的地震易损性分析提供了理论基础。     

地下管线在空间随机分布的地震作用下的反应

强震作用下地下管线地震反应计算以往多采用波动法求解。这种方法假定地震波为一行进波,沿管线的轴向或成某一角度传播,它只能求得地面运动的相位差引起的管线的变形和内力。有些文献将地震地面运动假定为空间变化的平稳随机过程,用随机振动理论求得管线的地震反应,但不能反映地面运动的非平稳性对管线地震反应的影响。而地面运动的非平稳性,特别是时域非平稳性很可能是产生地下管线变形和内力的最重要原因。根据地面运动的统计模型生成管线轴线上各点的地面运动时程,用级数解法求管道的地震反应。由于这种方法能较好地反映地面运动的时域非平稳性,所以得到的计算结果更真实。     

地震作用的相关性对结构瞬态响应的影响

地震作用一般分解为水平运动分量和竖向运动分量,在这两个运动分量的作用下,结构发生大变形时,可能会经历由地震运动分量演变的外部激励和参数激励过程。由于运动分量间的相关性,推导出实际上这两个激励过程也是相关的,而且是完全相关的,但在过去的研究中,为了简化分析,常常假设这两个激励过程是完全独立的。该文以高斯白噪声和过滤高斯白噪声过程模拟地震动过程,以某一单层框架结构为研究对象,采用累积矩截断法,分析高斯白噪声和过滤高斯白噪声这两种地震动激励下单层框架结构的非平稳地震响应。同时考虑地震动分量间的相关性,得到更为精细化的结构随机地震响应,并分析这种相关性对结构响应的影响。结果表明：将地震动作用模拟为更接近实际的过滤高斯白噪声过程时,地震作用相关性对结构响应的影响更为明显,更为不可忽略。     

地震作用下大型升船机结构的响应特征分析

从振动力学的角度,以某大型升船机建筑结构为背景,对升船机结构的动力特性及在地震作用下升船机结构的确定性和随机反应特征进行了较系统的分析。首先建立了升船机建筑结构的三维分析模型,对升船机结构进行了动力特性及时程响应特征分析。然后,在总结与分析有关地震动随机模型研究成果的基础上,通过比较,选择了具有较全面描述输入地震动随机特性的数学模型,并对升船机结构的功率谱响应特征进行了分析。最后,基于上述结构反应特征分析,给出了升船机建筑结构抗震可靠度计算模型的适用性建议。     

渡槽结构考虑流固耦合的横向地震响应简化计算公式

渡槽是输水工程中的控制性工程,在地震中容易发生破坏,导致沿线供水中断。虽然大量渡槽已经建成并投入使用,但关于渡槽的抗震研究还不够完善,在国内还没有统一的渡槽抗震简化计算方法。该文以流固耦合动力学为基础,结合反应谱理论,推导了渡槽横向地震响应的简化计算公式,并与非线性流固耦合有限元时程分析进行对比。对比结果表明：该文提出的简化计算方法可以快速计算渡槽的横向地震响应,计算结果不仅能够有效反映水体晃动对渡槽结构的减震作用,且与数值分析结果吻合较好。     

穿越非均匀土体埋地管道地震离心实验研究

穿越非均匀土体经历不同地震作用的埋地管线的变形和残余强度严重影响着管道的安全。该文采用离心振动台分别平行于埋地管道长度方向输入0.6 g和0.3 g峰值地面加速度地震波,研究了埋地管道在一系列地震作用和不均匀土体变形共同作用下的响应,得到了PVC和铝合金两种埋地管道穿越软土/硬土土体的地震响应规律。地震引起不均匀土体的瞬时变形,导致埋地管道最大应变发生在土体分界面和软土中,管道拉伸应变幅值软土要大于硬土,而压缩应变幅值正好相反,硬土中管道拉伸应变幅值小于压缩应变幅值,硬土中管道压缩应变幅值受地震烈度影响比软土大。地震引起的土体永久变形对埋地管道残余变形影响很大,硬土中的管道残余应变为压应变,软土中管道的残余应变为拉压应变交替分布。     

基于有条件模拟方法的桥梁抗震分析

该文研究地震空间变异性对桥梁地震响应的影响。依据经过加速度幅值调整的EI-Centro地震波和空间相干模型,采用条件模拟算法-多变量线性预测(MLP)法合成继承选用记录物理特性的多点地震动,并通过大质量法将其施加到桥梁结构上。以一座高墩大跨曲线连续刚构桥为研究对象,分析比较地震动行波激励和完全空间变异性激励作用下的桥梁动力响应,研究结果表明：大跨度桥梁地震响应分析应考虑完全空间变异性的影响,有条件模拟技术可以应用于桥梁抗震分析。     

深埋地下结构地震反应分析的局部反应加速度法

城市地下结构逐渐呈现埋深更大化、断面复杂化、空间立体化等特点,中国现行《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB?50909?2014)推荐采用的反应位移法和反应加速度法在计算大埋深或复杂断面地下结构的动力反应方面存在一定的局限性.在广义反应位移法和传统反应加速度法的基础上,该文提出一种适用于深埋地下结构地震反应分析的局部...     

隧道爆破荷载作用下埋地管道动力响应试验

埋地管道爆破动力响应特性是城市管道抗震优化设计的依据。设计并开展城市地铁隧道爆破荷载作用下埋地管道动力响应的相似模型试验,监测埋地管道应变、加速度及地表振动速度值,解析地铁隧道爆破地震波的传播衰减机制及其对邻近埋地管道动力响应影响规律。结果表明,基于量纲分析理论的振动速度预测模型用于隧道爆破时地表PPV预测切实可行;相同爆破荷载作用下,埋地钢管加速度峰值是PVC管的1.5～1.8倍;隧道"空洞效应"导致埋地管道在成洞区一侧的加速度响应更为剧烈;埋地PVC管在各测点处环向应变大于轴向应变,且大于钢管应变值,试验得到可有效监测埋地钢管和PVC管应变响应的最大临界比例距离分别为117 m/kg和263 m/kg。