隧道纵向地震反应最不利时刻的确定及其应用

《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB 50909―2014)建议的隧道结构纵向反应位移法,采用梁-地基弹簧计算模型,以自由场位移时程为等效地震作用,在一定程度上考虑了地震作用下土和结构之间相互作用,能够反映不同频谱成分地震波对结构纵向地震反应的影响。该文给出了根据自由场地震反应确定隧道结构纵向最不利变形和内力发生时刻,即最不利时刻的确定方法。采用规范纵向反应位移法,完成了出平面剪切波斜入射下北京某盾构隧道结构纵向地震反应计算,并应用最不利时刻的概念将规范方法在地震动持时内所有时间步的静力计算转化为单一时间步的静力计算,与动力时程法计算结果进行了对比。结果表明,规范方法得到的隧道结构位移值和弯矩值与动力时程法较为接近,但由于离散的地基弹簧不能有效模拟地基土对地下结构真实的约束条件,使得轴力和剪力结果存在较大误差;应用最不利时刻的概念,在一定程度上提高了计算效率,同时降低了隧道纵向地震反应(尤其是剪力)的计算误差。     

隧道纵向地震反应分析的整体式反应位移法

对于非一致地震动作用下隧道纵向地震反应问题,采用地下结构横断面地震反应的整体式反应位移法的基本原理,给出了一种根据自由场地震反应确定隧道纵向反应最不利变形和最不利内力发生时刻,即最不利时刻的确定方法,提出了适用于地下隧道结构纵向地震反应分析的整体式反应位移法。该方法通过自由场静力分析模型,根据隧道埋深位置处的自由场最不利变形确定等效地震作用,通过隧道结构-地基整体模型的静力计算获得隧道结构的最不利地震反应。以北京某地铁区间盾构隧道结构为研究对象,分别采用纵向整体式反应位移法和动力时程分析方法进行了出平面剪切波入射下隧道结构纵向地震反应计算,并将二者的计算结果进行了对比与分析。结果表明,该文提出的纵向整体式反应位移法概念明确、过程简便,具有良好的计算精度,可用于非一致地震动输入下隧道等长线型地下结构的抗震分析。     

土–地下连续墙–复杂异跨地铁车站结构动力相互作用分析

大空间地下隧道结构的地震反应特点主要包括两方面：地震波传播方向通常不垂直于结构纵轴,沿纵轴方向结构各点在同一时刻的地震反应并不相同;结构的剪切变形随着横截面尺寸的增大而更加显著。然而,现有的大型地下结构地震反应分析拟静力方法多为针对地震动垂直入射条件下结构横断面地震反应分析的二维方法,难以计算隧道等长线型结构的纵向地震反应;而基于弯曲梁理论提出的纵向整体式反应位移法,虽能完成非一致地震动输入下隧道结构纵向最不利地震反应计算,但无法合理描述结构的剪切变形特点。该文基于大空间隧道结构纵向地震反应的规律和特点,结合铁木辛柯梁理论,确定了通过自由场地震反应获得大空间隧道结构纵向地震反应最不利时刻的方法,发展了适用于大空间隧道结构纵向地震反应分析的整体式反应位移法,并通过数值算例对该方法的有效性和计算精度进行了验证。     

地下结构整体式反应位移法的改进

整体式反应位移法是目前常用的地下结构抗震实用分析方法,但在求解等效输入地震荷载的过程中,需对自由场土层模型中土-结构交界面所包围的所有土体单元施加自由场惯性力,处理过程相对复杂。该文基于有限元离散模型,从理论上证明了整体式反应位移法中由结构周边应力引起的等效地震荷载可通过仅由一层土体单元构成的子结构模型的一次静力分析获得,由此提出了一种基于土体内部子结构的地下结构整体式反应位移法,即改进方法一;进一步论证了改进方法一中内部土体子结构的惯性力对等效地震荷载的影响可以忽略,在此基础上提出地下结构整体式反应位移法的改进方法二,该方法避免了土层介质自由场惯性力的计算与施加,从而有效简化了整体式反应位移法的实施流程。通过与传统整体式反应位移法的对比分析,验证了该文改进方法具有良好的计算精度,可用于地铁车站、地下隧道等地下结构的地震反应分析与抗震性能研究。     

深埋盾构隧道结构抗震设计方法评价

分析评价了反应位移法、反应加速度法应用于深埋盾构隧道结构抗震设计的差异。采用平面弹性理论的复变函数方法,提出了深埋结构的土体弹簧的解析解法,可以应用于反应位移法。设定某地质条件下的深埋典型盾构隧道结构为基准模型,用反应位移法、反应加速度法和动力时程法计算基准模型的结构刚度变化时的结构内力和变形,评价前两种方法的适用性。结果表明：反应加速度法的结果一般比反应位移法更接近动力时程法;反应位移法的结果一般是偏于安全的;反应加速度法不适用于结构刚度较小时的情况。     

整体强制反应位移法适用性分析及修正

现已提出了一种以土层变形为等效地震荷载形式的地下结构简化抗震计算方法——整体强制反应位移法,介绍了该方法的基本思想与具体实施步骤。土层变形作为等效地震荷载,是影响整体强制反应位移法的计算精度的关键,其准确性和适用性受到土层条件及结构本身等多方面因素的影响。通过改变地铁车站结构型式、地下结构在土层中的埋深与地基土体刚度对整体强制反应位移法进行了适用性分析,将应用该方法在不同情况下的计算结果与动力时程法进行了对比。结果表明整体强制反应位移法在软土地下结构抗震计算与分析中具有良好的适应性与计算精度。为进一步考虑地下结构抗震计算时的土层-结构相对刚度问题提出采用结构剪切变形修正系数R对方法进行修正,验算表明修正后的整体强制反应位移法计算误差更小,适用性更广。     

基于耐震时程法的钢筋混凝土框架结构抗震性能评估

耐震时程法的典型表征在于随着时间的增加,地震强度逐渐增大。基于非线性最小二乘算法合成了基于我国抗震规范反应谱的三条耐震时程曲线。以两个5层和12层钢筋混凝土框架结构为例,分别对结构进行22条天然地震动下的增量动力分析和3条耐震时程曲线输入下的非线性分析,对比研究了结构在不同强度下的最大顶点位移、最大层间位移角、最大基底剪力和结构滞回耗能分析,比较了结构在大震时的最大层间位移角分布和最大楼层剪力分布。分析研究表明,耐震时程法能较好的预测结构的抗震响应,其分析结果离散性小,宏观上与多条天然地震动分析结果的中位值吻合较好。由于耐震时程法仅需进行一次时程分析便可获得结构不同强度下的抗震响应,计算效率高,计算精度较好,这为结构的抗震性能评估提供了一种新的有效方法。     

基于小样本记录的柱面网壳结构地震响应评估

结构的地震反应可以采用时程分析法或反应谱法来估计,在用时程分析法计算结构抗震设计需求时,中国抗震设计规范规定了选择3条或至少7条地震动记录的准则。可以用峰值加速度（PGA）或加速度反应谱（SA）来对地震动记录进行调幅,但用哪一个地震动强度参数来调幅为最佳还是未知的。该文针对柱面网壳的分析结果表明：合适的地震动强度参数取决于所需的结构反应,为降低由地震动记录间差异引起的结构最大杆件内力、支座反力或基底剪力的变异性,采用PGA调幅地震动记录要优于SA,而对于结构的最大位移反应则恰好相反。由于结构频谱十分密集以及受高阶振动模态的影响,采用反应谱法计算结构最大杆件内力或基底剪力是不合适的。同时,该文计算了采用3条和7条地震动记录准则获得的结构最大杆件内力和基底剪力的统计值,以期能为选择合适的地震动强度参数和地震动记录数量提供依据。     

曲线桥多维地震时程分析主方向研究

研究曲线桥多维地震作用下利用时程分析法时的主方向问题.首先利用基于小波变换的拟和规范反应谱的多维地震动模拟算法合成多维地震动,然后基于多维地震动作用下的结构动力方程,推导了时程分析法时求解地震激励主方向的公式,并对比计算分析了SRSS法,百分比准则等组合方法的正确性.推导的公式简单易行,可方便求得时程分析时,单维或者多维地震激励的最不利方向.对于曲线桥这种桥型,应该考虑地震动的多维性,对不同反应量,对应着不同地震激励的主方向,实际分析时,应该同时输入多维地震动,并求得最不利角度才能保证结构的抗震要求.     

近断层速度脉冲对钢筋混凝土框架结构地震反应的影响

在加速度反应谱一致的前提下,研究了近断层速度脉冲的工程特性。首先,构造两组加速度反应谱一致的地震动时程:第一组时程为实际强震观测记录且含有明显的速度脉冲;第二组时程为以第一组时程的反应谱为目标谱合成的模拟地震动时程,在合成过程中,利用窄带时程叠加法,通过控制峰值速度可以使得这些时程不再含有速度脉冲。其次,通过分析钢筋混凝土框架结构在这两组输入地震动作用下动力响应的差异,研究了在加速度反应谱一致的前提下,速度脉冲对结构地震反应、尤其是弹塑性地震反应的影响。分析结果表明:对于层剪力、层间位移、各层最大位移等结构动力响应参数,当结构地震反应进入弹塑性阶段后,与不含速度脉冲地震动作用下的反应相比,在含有速度脉冲的地震动作用下,结构的反应有较大幅度的增大,尽管这两组输入地震动的加速度反应谱相同;在这种情况下,加速度反应谱将不能充分地体现出速度脉冲对结构地震反应的影响。     

砂土液化场地桩基地震反应分析

用整体动力有限元方法进行砂土液化场地桩-土-结构动力相互作用及桩基地震反应分析。在土体侧向的边界节点处用弹簧并联阻尼器来进行模拟；在土体平面应变单元和桩体梁单元连接处，用补充约束方程的方法进行节点耦合，使两种不同类型单元满足连续条件。结合典型工程实例选择桩-土-结构及荷载参数，重点讨论了三种不同情形下砂土液化场地土-结构相互作用对桩基地震反应的影响，分析和比较了三种情形下体系1至6阶的自振周期、基桩危险截面处的位移与内力时程和最不利时刻桩身的位移与内力等，得到了一些对工程实际有益的结论。     

地震动多点激励下大跨空间网架结构的反应分析

基于直接输入位移法建立了多点激励时程分析模型,采用三角级数法模拟生成满足给定的相干函数和规范反应谱的非平稳空间地震动。选取大跨度柱支承空间网架结构为研究对象,分别进行了结构在地震动一致激励、行波激励和多点激励作用下的动力反应分析,对其进行了比较研究。分析结果表明:在水平地震动多点激励作用下,与一致激励相比,上部结构控制杆件轴力和柱顶位移的幅值变化与地震动作用方向有关,地震波先到达的下部支承柱结构的内力反应增大;在竖向地震动作用下,结构在多点地震激励下的反应明显大于一致激励。网架结构在多点地震动激励下与行波激励下的反应结果变化规律相似,多数情况下行波激励得出偏于不安全的结果。因此,忽略地震动的空间变化会严重低估大跨度空间网架结构的反应。     

地下结构横截面地震反应拟静力计算方法对比研究

对目前地下结构横截面地震反应计算中广泛采用的地震系数法、自由场变形法、土-结构相互作用系数法、反应位移法、反应加速度法等多种拟静力方法进行介绍及分析。以大开地铁车站地震反应为例进行数值模拟,通过改变输入地震波、结构刚度、土层刚度以及结构埋深对各种拟静力计算方法的适用性进行了研究,将不同方法的计算结果与动力时程分析方法结果进行了对比。研究结果表明：反应加速度法与动力时程分析方法符合较好,表明该方法在常见地下结构环境条件下具有良好的适用性与计算精度,可以用于地下结构的抗震反应分析。     

近断层地震动作用下多塔悬索桥的地震反应分析

以泰州大桥为原型研究了多塔悬索桥近断层地震动作用下的地震反应特点,在此基础上以近断层地震动反应幅值与普通地震动反应幅值的比值作为放大系数,进一步研究了速度脉冲效应和场地土效应对桥塔和主梁地震反应的影响规律。分析结果表明：1) 近断层地震动作用下多塔悬索桥位移和内力的分布规律与普通地震动基本相同;2) 纵向+竖向地震输入下坚硬场地上近断层地震动对主梁竖向位移的影响最大,对主梁竖向弯矩的影响次之,对桥塔纵向位移和纵向剪力的影响相对较小。当场地土由硬变软时,边塔的地震反应增幅明显,中塔次之,主梁相对较小;3) 横向+竖向地震输入下坚硬场地条件上近断层地震动对中塔横向位移的影响最大,对主梁竖向位移的影响次之,对桥塔横向剪力和主梁横向弯矩的影响相对较小。当场地土由硬变软时,主梁的横向弯矩增幅明显,桥塔次之,主梁竖向位移相对较小;4) 在近断层地震动速度脉冲特性以及场地土固有周期特性的共同作用下多塔悬索桥边塔、中塔以及主梁的地震反应存在明显差异,在抗震设计时需要引起重视。     

软土浅埋框架结构抗震计算方法评价

摘要：我国地下工程结构的抗震设计主要采用等效静力法,国外则提出了自由场变形法、反应位移法等方法。本文分析评价等效静力法、自由场变形法和反应位移法应用于软土地下结构抗震设计的差异。分析中设定表征软土地下结构的基准模型,并以动力时程分析给出地下结构的地震响应。假定地质条件和结构埋深不变,通过比较分析随基准模型的结构刚度变化时计算变形和内力的差异,评价三种拟静力地下结构抗震设计方法的适用性。结果表明,等效静力法对刚度较大的浅埋框架结构适用性较好,其它情况计算的结构变形和内力偏大;自由场变形法适用于浅埋框架结构刚度较小或与周围地层刚度接近的情况,且倒三角形分布力模式优于集中力模式;反应位移法可适用于不同刚度软土浅埋框架结构的抗震设计。     

穿越液化流滑区盾构隧道纵向非线性地震响应研究

为了明确场地液化流滑区越江跨海盾构隧道结构的抗震性能,以宽河谷微倾斜可液化场地在不同地震动强度下土层的位移时程作为输入地层震动状态,并基于广义反应位移法,建立了4.8 km精细化梁-弹簧盾构隧道模型,研究了场地液化流滑对盾构隧道纵向地震响应和相邻管环纵向张开量的影响。研究结果表明：场地的液化流滑将导致盾构隧道产生极大的环间纵向张开量、截面拉力和压力突变,充分说明了场地流滑对隧道结构地震安全的危害性;盾构隧道损害严重位置处均位于液化土层的滑动面;沿轴线的弯矩变化曲线与加速度放大系数曲线和河谷地形具有一致性,且曲线在液化区呈现出明显的突变现象。     

基于纤维模型的拱形断面地铁车站结构弹塑性地震反应时程分析

采用基于粘弹性静-动力统一人工边界的静-动力联合分析方法,并采用钢筋混凝土纤维模型程序THUFIBER模拟地铁车站结构,使用大型通用有限元软件MSC.Marc对北京市一座拱形断面结构型式的单层三跨岛式站台车站进行了水平向弹塑性地震反应时程分析.计算结果表明:结构边跨拱形顶板的中段、柱上端是水平方向加速度与位移反应强烈部位;柱是结构抗震受力最不利部位,且柱上端与下端所受轴力相差不大,但柱上端所受到的弯矩更大,这使得在强地震作用下,柱上端有可能在较大弯矩作用下先于柱下端破坏;拱形断面结构型式可以有效的减小作用在拱形顶板上的弯矩,而代之以承受相对较大的轴力,因此相对于矩形断面结构型式,拱形断面的受力要更合理和更有利.此外,数值分析结果还表明:相对于目前广泛采用的设计基本地震加速度,对地铁车站等地下结构进行抗震分析及设计时采用自由场地面与基岩间的峰值相对位移(PGRD)作为设计地震动参数更为合理和有效.     

Rayleigh波作用下地下结构地震反应影响分析

采用基于时域粘弹性人工边界的Rayleigh波输入方法,进行了土-地下结构相互作用体系在Rayleigh波作用下的动力时程反应分析,对Rayleigh波作用下地下结构的地震反应特性进行研究。重点讨论了地下结构材料强度、结构厚度以及土层刚度等因素对Rayleigh波作用下地下结构地震反应的影响。结果表明Rayleigh波对浅埋地下结构的地震动力反应影响显著,将使结构产生较大的内力与变形,在地下结构抗震设计尤其是浅埋地下结构的抗震设计时应予以足够的重视。     

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。     

典型铁路梁桥抗震设计地震动破坏势排序

输入地震动的选取是桥梁抗震分析中的重要环节,不同的输入地震动引起的桥梁结构反应有显著差异。为了对铁路桥梁抗震设计地震动的选择提供定量依据,将"最不利设计地震动"的概念拓展并应用到桥梁抗震领域,研究典型铁路梁桥在不同地震动作用下的结构响应,得到基于结构相应参数的输入地震动破坏能力排序。首先确定了桥梁地震动输入以及评价指标,使用OpenSees对桥墩模型输入大量地震动记录进行有限元分析,通过调幅手段研究幅值与单一参数的关系,并引入颜色映射理论研究幅值与多参数的关系。研究表明:(1)当较低幅值地震动作用在结构上时,结构的地震响应与第一周期反应谱值相关性最好;(2)随着幅值的增加,结构周期增长,地震响应与更长周期反应谱值以及速度、位移参数、持时参数等的相关性会逐步提高;(3)通过动力时程计算并对墩顶位移进行比较,给出了模型在设定地震作用下的排序,结果可为相关桥梁结构的输入地震动选取提供参考。