浅埋交叉隧道地震动力响应及减震措施研究

运用ADINA软件中的Newmark直接积分法和Mohr－Coulomb弹塑性模型,计算了交叉隧道运行期,在不同地震动波和不同方向地震激励作用下,隧道顶部不同覆土厚度时动力响应规律;分析了衬砌厚度变化对隧道地震反应的影响。计算结果表明:垂直于隧道轴线方向的地震波对隧道结构影响最大,对于立体交叉隧道最大位移、最大加速度一般发生在上部隧道顶板中间位置处,而最大主压应力一般出现在隧道顶板与边墙连接处,这些部位是结构安全的关键点,设计时应重点关注;随着隧道顶部覆土厚度的增加结构相对位移、加速度和应力都有所增加,且位移和应力变化比加速度大,当覆土厚度增加到一定程度时,响应将基本趋于稳定;随着衬砌厚度的增加结构最大相对位移和应力逐渐减小,而加速度将逐渐增大,但减小和增大幅值随衬砌厚度增加而越来越小。     

海底盾构隧道纵向地震反应特征的子模型分析

考虑海床土体的空间不均匀性、动力非线性特性和海底盾构隧道管环间纵向螺栓连接等因素,提出了基于子模型技术的长大隧道纵向地震反应广义反应位移法,研究了不同地震动作用下隧道管环间的张开量和地震应力分布特征。结果表明：①基于子模型技术的广义反应位移法建模简单,能合理地考虑土与隧道结构的动力相互作用效应对长大隧道结构纵向地震反应的影响;采用压力-过盈模型和黏结模型表征管环间纵向连接螺栓的作用,可较合理地描述相邻管环间的非连续变形特性。②隧道穿越软硬土层交界处的管环张开量较大;基岩峰值加速度相同时,低频发育的Darfield地震动作用引起的管环张开量明显较之高频发育的Iwate地震动作用时的大,且基岩峰值加速度为0.2g和0.4g的Darfield地震动作用下局部位置的管环间张开量超过防水允许限值。③不同频谱特性的基岩地震动作用下管环地震应力分布差异较大,Iwate地震动作用时基岩隆起区域靠近管环顶部处的地震应力较大;Darfield地震动作用时隧道穿越软硬土层交界处及砂土透镜体附近的管环地震应力较大。     

永久位移型地震动对建筑隔震设计影响初探

以自振周期大于2s的某实际钢结构建筑为研究对象,分别在设防地震和罕遇地震下,输入含与不含永久位移型地震动,分别计算得到隔震结构和非隔震结构的非线性地震反应。通过对比含与不含永久位移型地震动作用下的上部结构地震反应,进而分析永久位移对该类型建筑隔震设计的影响。结果表明：无论地震动输入是否含永久位移,与非隔震结构相比,隔震结构的层间剪力和倾覆力矩均显著降低,且降低幅度随着楼层的升高而增大;在含永久位移型地震动与不含永久位移型地震动分别作用下,各楼层层间剪力比值与倾覆力矩比值无明显差别,比值基本在1左右;在两类地震动作用下,计算得到的减震系数差别不超过10%;在两类地震动作用下,隔震层支座平均最大拉、压应力及位移相差不大,永久位移型地震动作用的放大效应不明显。     

地震作用下相邻建筑结构的最大相对位移

为确定合理的防震缝宽度,对地震作用下相邻结构的最大相对位移进行研究。定义最大相对位移系数,并选取对应于硬土、中硬土、软土场地条件下的实际地震动记录各100条,讨论相邻结构周期比、高度比、位移延性系数比以及场地条件对最大相对位移系数的影响作用。通过研究发现,最大相对位移系数受相邻结构的周期比、高度比、位移延性系数比的影响较为显著;不同场地条件下最大相对位移系数差别不大,可近似忽略场地条件对最大相对位移系数的影响作用。为便于工程应用,拟合了相邻结构最大相对位移系数计算公式,利用该计算公式,可求得地震作用下相邻结构的最大相对位移,并为抗震设计中确定相邻结构的防震缝宽度提供理论依据。     

基于随机地震动模型的盾构隧道非一致地震反应分析

以常州地铁1号线为工程背景,建立了某一区间段双向盾构隧道的三维有限元计算模型。根据沿线Ⅲ类场地类别,基于随机地震动模型合成输入所需的多点随机地震动。计算双向盾构隧道在非一致随机地震动作用下的反应,与一致地震动激励的结果进行对比分析,得出该类场地条件下地震反应的一般特征。结果表明:非一致地震动激励增大了隧道的地震响应,沿隧道轴向方向各点地震反应存在差异,这种差异会影响轴向方向上的应力、应变,对隧道安全存在不可忽略的影响。     

国家体育场在多点激励作用下的地震反应分析

地震地面运动是一复杂的时-空过程,严格来说所有结构的地震反应分析均应考虑地震动空间变异性的影响,尤其是当结构规模和平面尺寸较大时,这种差动效应就更加明显,由此引起的结构反应与一致激励相比有所不同.本文基于相位差谱生成非平稳空间地震动场后,进行了国家体育场在多点激励下的地震反应分析,并将计算结果与一致激励的结果进行了对比.结果显示:水平地震作用下多点激励作用方向上的位移反应多小于一致激励的,多点激励作用下非激励方向的位移大于一致激励的;竖向地震作用下的变形在多点激励时较大.基底剪力和基底弯矩在多点激励作用下的反应较一致激励的小.     

地震动位移反应谱阻尼修正系数研究

阻尼修正系数（DMF）用于抗震设计规范中校正临界阻尼比高于或低于5%的弹性反应谱。在解耦多参数交叉影响的原则下研究了三个主要地震参数（震级、距离和场地条件）对地震动位移反应谱阻尼修正系数的影响。结果表明，DMF随着结构自振周期增大而逐渐趋近于1；随着震级和距离增大，阻尼比对位移反应谱影响随之增大，DMF曲线更加发散，这意味着通过附加阻尼减小结构地震反应对于大震和远震更加有效；场地条件对DMF的影响仅限于近场范围，但无法归纳出明显的影响规律，且随距离增大，不同场地对应的DMF之间的差异逐渐缩小。通过人工合成地震动数值试验，分析加速度反应谱与位移反应谱DMF曲线，得出结论：地震动频谱分量随频率的相对变化速度，对位移反应谱DMF曲线起控制性作用。最后提出了适宜于抗震设计规范采用的DMF公式，并利用实际强震记录数据拟合了DMF公式中的关键参数。     

空间变异地震动作用下地铁隧道抗震响应

采用基于功率谱矩阵奇异值分解的空间变异地震动合成方法,快速高效地合成了考虑行波效应、相干效应及场地效应的多点加速度时程。基于ABAQUS软件研发的动力有限元计算平台,建立了三维双隧道–土体有限元模型,研究了多点输入下地铁隧道的非线性地震反应特性,并与一致输入下的地震反应特性进行了对比。另外,考察了场地效应对地铁隧道抗震响应的影响。结果表明:对于均匀场地,一致输入下的地表、隧道地震响应高于多点输入下的响应;对于非均匀场地,一致输入下的地表、隧道响应明显低于多点输入下的响应;在场地交界处,隧道截面的剪应力和水平位移会产生突变。     

海底盾构隧道纵向地震反应特征的子模型分析

考虑海床土体的空间不均匀性、动力非线性特性和海底盾构隧道管环间纵向螺栓连接等因素,提出了基于子模型技术的长大隧道纵向地震反应广义反应位移法,研究了不同地震动作用下隧道管环间的张开量和地震应力分布特征。结果表明:①基于子模型技术的广义反应位移法建模简单,能合理地考虑土与隧道结构的动力相互作用效应对长大隧道结构纵向地震反应的影响;采用压力–过盈模型和黏结模型表征管环间纵向连接螺栓的作用,可较合理地描述相邻管环间的非连续变形特性。②隧道穿越软硬土层交界处的管环张开量较大;基岩峰值加速度相同时,低频发育的Darfield地震动作用引起的管环张开量明显较之高频发育的Iwate地震动作用时的大,且基岩峰值加速度为0.2g和0.4g的Darfield地震动作用下局部位置的管环间张开量超过防水允许限值。③不同频谱特性的基岩地震动作用下管环地震应力分布差异较大,Iwate地震动作用时基岩隆起区域靠近管环顶部处的地震应力较大;Darfield地震动作用时隧道穿越软硬土层交界处及砂土透镜体附近的管环地震应力较大。     

结构的弹塑性位移比及R-μ-T关系的分析

在估计已知强度或延性的现有结构在不同地震动强度下的最大地震弹塑性反应时,弹塑性位移比谱和等延性强度谱是十分准确有效的.通过对342条地震记录进行单自由度体系的弹塑性时程分析,研究了三个特征周期设计分组在不同延性系数下的弹塑性位移比谱特性以及等延性强度谱的特性,通过非线性回归分析建立了等延性位移比谱和等延性强度谱,给出了回归计算公式.研究表明:(1)弹塑性位移比谱在周期为0~1.0 s时谱值随周期的增加急剧下降,下降区间的终点与地震分组有关,之后谱曲线转入平缓,且延性系数对平缓段的曲线影响较小;(2)延性系数μ＞1时,等延性强度谱在周期区间为0~1.0 s时谱值随周期的增加急剧增长,上升区间的终点与地震分组有关,之后谱曲线增长较为平缓,等延性强度谱随延性系数增加而增加;(3)等延性位移比谱和等延性强度谱的回归计算公式能反映延性位移比和折减系数的统计规律,可应用于实际工程.     

带衬砌浅埋隧道开挖受非对称收敛变形影响的地层位移和衬砌应力分析

 盾构隧道施工引起的环境土工效应分析一直是城市轨道交通安全控制的关键课题。由于目前该领域较少考虑隧道衬砌与土体相互作用带来的影响,尤其是较少针对衬砌应力进行分析,由此提出带衬砌浅埋隧道开挖受非对称收敛变形影响的地层变形计算方法;同时考虑地层与衬砌之间的非对称收敛协调变形模式,建立带衬砌隧道开挖的Airy应力函数解析解答。通过实例研究,得到带衬砌隧道非对称变形模式下的地层沉降和水平位移曲线,并与实测数据进行对比验证;通过参数分析,获取土体和衬砌的材料特性、隧道几何特性以及隧道埋深等主要参数对浅埋隧道开挖地层变形和衬砌应力的影响规律。结果表明：非对称收敛变形模式对地层位移的影响明显,在此条件下得到的沉降槽和水平位移曲线与实测值吻合较好,地表最大沉降值更接近于实际;隧道半径或土层硬度对土体沉降最大值有较大影响,减小半径和硬化土层对减少土体沉降量效果显著,而衬砌几何参数的改变对沉降量的影响不大;衬砌轴力和弯矩整体关于90°/270°轴即隧道竖轴线严格对称,其中轴力沿圆周呈倒“8”字分布,而弯矩随着k值的增大,沿圆周方向由“8”字形向“0”字形过渡,最大轴压力和最大负弯矩发生在拱腰位置,土体侧压力系数k的取值对衬砌轴力和弯矩的分布和大小影响明显。分析成果可为正确预估软土浅埋盾构开挖变形提供一定的理论依据。     

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。     

超长沉管隧道纵向地震响应频域分析方法

中国目前还没有专门的沉管隧道抗震规范,且以往的地震响应分析方法考虑的因素不够全面,比如通常忽略隧道惯性的影响、不能考虑复杂地基条件、不能考虑沉管底部非一致地震激励以及不能考虑土体动刚度系数和阻尼系数的外部激励频率相关性等。基于此考虑,在借鉴日本水下隧道抗震设计规范所推荐方法(响应位移法)的基础上,利用Winkler地基梁理论和快速Fourier变换技术,建立了动力Winkler地基梁频域分析方法。最后,分别采用响应位移法和本文所提之分析方法对港珠澳大桥海底沉管隧道工程进行了纵向地震响应计算,对两种计算方法作了讨论和评价,并提出了一些对港珠澳沉管隧道工程抗震设计具有参考价值的结论和建议。     

重力码头地震旋转与滑动耦合运动下的残余位移简易算法

预测重力码头的地震残余位移是码头工程地震设计的关键,而码头墙后回填砂土因地震引起的超静孔隙水压力发展水平对码头墙体运动具有一定的影响。引用液化度概念考虑超静孔隙水压力影响来修正Mononobe-Okabe拟静力法计算的动主动土压力和回填土地震孔隙水产生的动水压力;同时考虑水平和竖向地震载荷,采用Steedman的旋转块体法,根据力与力矩极限平衡确定码头的滑动与旋转门槛加速度系数,分别对码头滑动先开始与倾斜先开始两工况下的耦合运动模式进行详细分析,修正码头因耦合运动影响的滑动与旋转门槛加速度系数,计算码头耦合运动下的地震残余位移计算。选用正弦脉冲的地震运动特征,应用该计算方法对码头耦合运动的残余位移的闭合解进行了推算,分析了码头残余位移随着液化度变化的规律。     

公路隧道地震响应下的位移分析

对宝天高速公路段甘泉隧道进行了地震响应分析，通过动力有限元方法确定了公路隧道的残余变形量，将各个时刻重复通过计算所确定的残余位移累加得到了地震作用后公路隧道的永久变形量，通过分析永久变形量确定了公路隧道地震响应稳定性。     

纤维混凝土隧道衬砌地震动力响应特性的振动台试验研究

 为研究纤维混凝土隧道衬砌在地震动力作用下的动响应特性,对普通混凝土隧道衬砌与纤维混凝土隧道衬砌开展大型振动台模型试验,分析隧道衬砌的震害特征、地震动应变、结构内力和应变基线响应规律。试验结果表明：水平地震荷载及地层压力共同作用下,2种隧道衬砌均为仰拱最先开裂,其次为拱腰开裂,衬砌结构破坏模式主要为开裂、掉块和裂缝两侧挤压破坏;素混凝土隧道衬砌出现开裂破坏早,裂缝易贯通,裂缝两侧混凝土基体在振动过程中相对位移大;纤维混凝土隧道衬砌出现开裂破坏晚,裂缝两侧混凝土基体在振动过程中相对位移小,裂缝呈挤压破坏状;纤维延缓衬砌结构裂缝的产生和阻碍裂缝的扩展;地震波加速度峰值从0.1 g增大到1.0 g时,素混凝土隧道衬砌动应变极值和裂缝宽度显著增大,而纤维混凝土隧道衬砌动应变极值和裂缝宽度先在一定范围内缓慢增长然后迅速增大,但最终2种衬砌动应变极值和裂缝宽度大致相等,说明纤维混凝土隧道衬砌在一定地震荷载范围内可以有效避免开裂和减小裂缝宽度;纤维混凝土隧道衬砌压缩变形率较小,当输入地震波加速度峰值为0.1 g和0.4 g时,纤维混凝土隧道衬砌结构动弯矩极值较低,受力更均衡,能有效地抵御地震荷载。     

机械法联络通道-隧道系统地震荷载响应分析

机械法联络通道作为一种新的工法,在主隧道与联络通道之间采用钢板焊接,该接头是抗震设计的关键点。针对接头的抗震问题,文章通过有限元方法研究地震荷载对主隧道和联络通道的受力、位移和加速度响应的影响,考虑刚性和半刚性接头两种工况。结果表明：在地震荷载作用下刚性接头受力远大于半刚性工况;在半刚性连接形式下,隧道加速度及位移的响应均大于刚性连接工况,y方向的地震荷载作用对半刚性连接形式下联络通道的位移及加速度响应影响较大。     

磁悬浮基础地震反应的三维有限元分析

磁悬浮基础为保证列车的正常运行,对变形要求极高,对于其抗震问题尚没有成熟的方法可供利用。本文采用有限单元法对磁悬浮基础进行了三维动力计算,分析了不同地震波输入对磁悬浮基础地震反应加速度、位移的影响,并计算分析了磁悬浮基础及周围土体的震陷。所得结论可为磁悬浮基础抗震设计提供参考依据。     

关于设计反应谱、时程法和能量方法的探讨

强震地面运动长周期分量对超高层建筑和大跨巨型结构具有重要影响,而现行的振型分解反 应谱法所采用的设计反应谱具有明显的局限性,基于地震加速度的结构动力方程式亦无法正确地估 计这种影响。本文探讨了采用速度反应谱和位移反应谱分析的可行性;对结构时程分析法的工程应 用价值和可操作性提出看法。讨论了能量方法的理论意义和实用价值,建立瞬时能量与结构最大地 震位移反应的关系,从而为结构地震反应分析和破坏准则,提供具有工程实用意义的新途径。     

基于强度折减的边坡动力安全系数确定方法研究

地震边坡稳定性分析已成为岩土工程界和地震工程界抗震减灾研究的重要课题之一。通过数值分析对土质边坡地震动力响应规律进行研究,发现边坡上PGA分布突变点的连线与潜在滑动面位置存在较好的对应关系。据此可通过PGA分布突变点的连线轮廓来大致确定边坡的潜在滑裂面,同时,这些PGA分布突变点可以选定为判定坡体临界稳定状态的关键点。基于强度折减法,以关键点的相对位移作为边坡动力破坏的控制性指标,结合地震特征位移和安全系数来评价边坡的动力稳定性,以特征位移与强度折减系数曲线上的特征位移产生突变时对应的强度折减系数作为边坡的地震动力安全系数。