地震作用下岩质边坡动力响应特性及变形破坏机制研究

 以汶川地震诱发大型岩质边坡为研究对象,基于相似理论,采用室内大型振动台模型试验,通过输入不同频率、不同持时以及不同幅值的正弦波,研究顺层及均质结构岩质边坡的动力加速度响应特征及动力输入参数对边坡动力特性的影响。试验结果表明,模型边坡动力加速度分布存在明显的而非线性高程放大特性及非线性趋表特性;且边坡对加速度的放大存在高度效应,即边坡中上部大约3/4坡高以上对水平加速度放大明显,而中下部对竖直加速度放大明显;受地形作用影响,边坡坡脚对加速度具有明显的抑制作用;地震波输入的动力参数对加速度动力特性有影响,地震波频率对加速度影响最为明显,边坡动力加速度随频率的增加而呈非线性增大的趋势,当地震波频率接近边坡模型自振频率时影响最大,且频率的增加改变坡体内加速度的分布特征;动力加速度随边坡输入加速度峰值的增加而增加,但幅值的变化并不改变加速度在坡体内的分布;地震波持时对动力加速度影响轻微。边坡坡体结构是影响其动力特性的重要因素,顺层结构边坡由于存在大量的结构面其动力加速度放大系数要高于均质结构边坡15%左右。     

堰塞湖坝体动力特性及加速度分布规律大型振动台模型试验研究

 2008年汶川八级地震形成了至少257个堰塞坝,主震后发生的大量余震可能会影响堰塞坝的动力安全状态。堰塞坝体的动力特性参数(包括自振频率和阻尼比等)和加速度分布规律是堰塞坝地震安全研究的基础内容。通过大型振动台模型试验,研究在余震作用下模型堰塞坝体的动力特性参数、加速度分布规律及二者的影响因素,并根据动力相似律,计算原型坝体的动力特性参数。共进行2组不同材料的振动台模型试验,分别模拟含黏粒较多且颗粒较小(坝体I)和基本不含黏粒且颗粒较大(坝体II)的2种坝体。在不同地震波形输入、不同加速度峰值和不同水位条件下进行振动台试验。研究成果表明：(1) 模型坝体具有较稳定的X向和Z向自振频率和阻尼比。(2) 先期振动使坝体自振频率降低,阻尼比有增大趋势;坝体I的自振频率小于坝体II。水位变化对2种坝体自振频率的影响规律不一致。(3) 加速度放大倍数随高程增大而增大,最大加速度发生在坝顶处;相同高程测点加速度放大倍数最大值出现在上游或下游靠近坝坡表面处,即“表面放大”效应明显,说明坝坡表面容易受地震作用破坏。(4) 所含频谱成分与坝体自振频率接近的地震波会引起最大的加速度反应。Z向振动使坝体测点X向加速度放大倍数增大。加速度放大倍数一般随输入加速度峰值的增大而减小。     

地铁隧道周围粉质黏土动力参数试验研究

利用GDS共振柱试验仪,对地铁隧道周围粉质黏土进行动力参数(动剪切模量和阻尼比)研究,分析在不同围压试验条件下三种粉质黏土动剪切模量和阻尼比变化规律。试验结果表明:随着动剪应变的增大,动剪切模量逐渐减小,阻尼比逐渐增大;围压越大,动剪切模量越大,阻尼比越小,且围压对动剪切模量的影响效果要显著于阻尼比;液性指数越小的土体,围压对阻尼比的影响效果越显著;最大动剪切模量与围压、参考剪应变与围压、最大阻尼比与围压均存在较好的线性关系。     

山岭隧道地震动力响应规律的三维振动台模型试验研究

 以国道318线黄草坪2#隧道为原型,开展大型三维振动台模型试验,重点研究隧道结构的地震动力响应规律及隧道与围岩的相互动力作用。通过对模型试验的关键技术研究,建立一套山岭隧道大型振动台模型试验设计、制作、加载及测试的工艺与方法流程。模型震害分析表明：隧道洞口边坡以开裂和滚落石震害为主,坡面加速度沿高程方向递增且具有一定的放大效应,在坡面原生裂缝和薄弱部位极易出现震害;隧道结构以衬砌开裂和掉块震害为主,初期支护和二次衬砌出现裂缝的部位不同,但钢筋网能够有效地阻止裂缝的发展。模型试验结果表明：隧道结构的加速度响应要大于周边围岩且对周边岩土体的加速度响应有一定的放大效应;对于一般的硬岩质山岭隧道来说,隧道洞口段0～50 m范围的加速度响应较大,为隧道抗减震设防的重点区域;山岭偏压隧道横向不同部位的地震动力响应存在明显差异;当地震波从隧道底部小角度入射时,隧道结构的加速度响应最强烈,对隧道结构的安全性是非常不利的;随着加载地面峰值加速度(PGA)的增大,隧道不同部位的加速度响应增大,但当隧道结构进入非线性破坏状态后,PGA呈减小趋势,地震能量逐渐被耗散。     

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。     

地震作用下立体交叉下穿隧道动力响应振动台试验研究

随着国家路网的不断建设与规划,大量铁路隧道或公路隧道近接平行、交叉等工程现象不断涌现,受地形、地质条件以及线路走向等因素的限制,隧道近接交叉的工程问题越来越复杂.以立体交叉草莓沟1#隧道和盘道岭隧道为例,着重选取盘道岭隧道(下穿隧道)为研究对象进行振动台试验,重点分析受上跨隧道影响,超小净间距小角度立体交叉下穿隧道拱顶...     

嘎隆拉隧道洞口段地震响应大型振动台模型试验研究

 洞口段为隧道抗震关键位置,极其容易发生地基失效及结构破坏。通过对嘎隆拉隧道洞口段轴向100 m开展大型振动台模型试验研究,研究结果表明：土体对其卓越频率附近的地震波有明显的放大作用,对地震波高频部分有滤波作用;地震时隧道与土体同步振动,不表现出自身的固有振动频率,惯性力对地下结构地震反应影响不大,故隧道抗震研究的重点是地震下围岩的失效防治,结构抗震设计主要目的是减小围岩失效对隧道产生的破坏;减震层和抗震缝的设置都不会改变结构地震反应的频谱特性,但设置减震层后,结构的峰值加速度增加,加速度放大系数不能作为减震效果的评判依据。研究成果对隧道的抗震设计和减震设计有重要工程应用价值。     

地震波频率对岩质斜坡加速度动力响应规律的影响

 斜坡在地震作用下的动力响应是地震波各频率组分与斜坡体共同作用的结果,不同的地震波频率将产生不同的斜坡响应。依托于振动台模型试验,针对均质和层状结构模型斜坡,首先分析试验不同阶段白噪声激振下的动力特性,得出两模型斜坡的共振频率呈现降低趋势,模型内部结构趋于松散,且水平向加速度的第1阶共振频率要低于竖直向加速度的第1阶共振频率。着重分析斜坡加速度动力响应规律及其与地震波频率变化的相关性,结果表明：(1) 两模型的水平向加速度响应在相对坡底高程(h/H＞1/2)时具有明显的高程放大效应,竖直向加速度响应的高程放大效应出现在h/H＜3/4的部位,且这一特征与激振频率的大小无关;(2) 在同等激振强度下,随着激振频率增大,越靠近模型斜坡的共振频率,两模型斜坡水平向加速度的响应程度也越高,而竖直向加速度响应强度与激振频率的相关性因模型斜坡结构不同而异;(3) 激振强度增加时伴随的模型结构恶化(即共振频率降低)并不一定导致加速度响应强度的减弱,相反,高频激振波由于更加接近模型的共振频率,使得响应减弱的可能性变小;(4) 层状结构模型斜坡的加速度响应强度大于均质结构模型斜坡,当激振强度较大时,这种层状结构效应与激振频率的相关性增强,表现为随着激振频率增大,该效应对水平向加速度而言逐渐明显,对竖直向加速度而言则相对减弱。     

基于振动台模型试验的管桩-土-上部结构体系的地震响应试验研究

通过管桩振动台模型试脸,研究了地震作用下单桩基础结构体系的上部结构加速度放大系数、桩顶最大剪力和最大倾覆弯矩响应幅值的分布规律及其影响因素。研究表明,管桩结构体系的各种地震响应不仅与输入的加速度幅值有关,不同的上部结构和场地的动力特性也影响管桩基础地震响应幅值的变化趋势;坚硬场地上结构的地震反应与结构有关,软弱场地上结构的地震响应与场地有关;实际桩-土-上部结构体系不是一个简单结构,必须整体考虑上部和下部结构的动力特性。     

重塑黏土和原状粉质黏土的动力特性试验研究

试验采用单个空心试样振后固结再振的动扭剪方法与采用多个试样的常规动扭剪方法,针对重塑黏土、原状粉质黏土探讨了不同方法下两种土样的动力特性。试验结果表明: 单个试样振后固结再振得到的动剪切模量G、阻尼比ξ与用多个试样的常规动扭剪方法得到的试验结果比较接近,可以认为在小应变下采用单个试样振后固结再振的试验方法是比较可靠的。同时发现卸压时的G随着固结压力的减少而降低,下降的梯度比加压时的小。重塑黏土和原状粉质黏土的G/Gmax～γ和ξ/ξmax～γ基本与试验方法和围压无关,并对模型中有关参数的影响因素做出了初步的探讨,给出了归一化动力变形关系曲线。采用单个试样进行振后固结再振的方法具有节省取样数量和减小试验操作、试样差异等因素对试验结果分析的影响,并且在试验结果可靠的基础上能够提供很多便利。     

基于试验测量的高层结构整体抗震损伤评估

结构的损伤模型可以从材料、构件和整体三个层次研究。整体结构损伤模型主要以结构整体为研究对象,从结构的整体反应参数变化研究结构整体性能的变化规律,并对在地震作用下结构的损伤、抗震性能进行分析。结构损伤时物理参数的变化,必将引起动力参数的变化。因此可以通过动力测试来捕捉结构动力参数的变化,如:结构损伤前后固有频率、模态振型和阻尼的变化,可以进行结构损伤诊断。结合在同济大学土木工程防灾国家重点实验室做过的几十个模拟地震振动台试验测试结果,统计和总结地震作用下高层建筑结构自振频率与阻尼比的变化规律,提出了一种新的损伤模型与损伤指标。该损伤模型综合考虑了高阶振型、振型参与系数、结构自振频率、阻尼比等影响因素。最后,用该损伤模型和损伤指标对其中3个典型的高层建筑结构模型模拟地震振动台试验数据进行验证,结果表明:该损伤模型与试验现象基本吻合。可对既有工程结构快速准确地进行动力损伤识别与评估。     

振动台试验对高层建筑结构设计的启示

2010年以后,我国高层、超高层建筑进入快速发展阶段,目前仍处于蓬勃上升期,我国已成为世界高层建筑发展的中心。抗震设计是我国高层建筑结构设计中的关键问题,而振动台模型试验是研究高层、超高层结构抗震性能的重要手段。通过科学、合理设计和精细模型加工,采用振动台试验可较准确测定结构的动力特性、动力响应和破坏形态,反映结构不规则性对抗震性能的影响,揭示薄弱部位。为此,以中国建筑科学研究院完成的28个实际工程模型振动台试验为基础,对试验结果和试验数据进行分类对比分析,研究阻尼比、整体刚度退化、连梁刚度折减系数、外框剪力比、加速度放大系数等影响高层建筑结构设计的参数和指标,并对有代表性和共性的结构薄弱部位及加强措施进行汇总,提出高层建筑结构设计相关的一些启示和设计建议。     

管桩地震反应振动台模型试验研究

通过管桩振动台试验,研究了管桩结构体系在地震作用下的动力响应及内力反应的主要规律.试验结果表明,管桩结构体系的加速度峰值反应在高度上呈“K”型分布,位移反应沿高度呈“S”型分布,在桩身距离桩顶5～6倍桩径处弯矩最大.本试验为管桩的抗震研究提供了试验数据,为工程设计提供了参考.     

广州国际会议展览中心模型结构抗震研究

本文用SAP2000结构分析程序对广州国际会议展览中心1／30模型进行了三维时程分析，并将分析结果与模型振动台试验结果进行了对比。     

结构动力反应模拟试验系统的研制

介绍了在结构动力反应模拟试验系统的研制过程中遇到的结构技术难题以及相应的解决办法。其中包括结构自反力体系的概念设计、结构设计与计算、台体稳定分析、动力反应分析等。这一大型抗震试验系统由美国加州通局ＣＡＬＴＲＡＮＳ）、圣迭戈加利福尼亚大学（ＵＣＳＤ）和ＭＴＳ公司联合研制,将用于土木工程中阻尼器、隔震支座装置的足尺和实时动力试验。     

钢筋混凝土框架用粘滞阻尼墙减震研究

粘滞阻尼墙是一种用于建筑结构的耗能减霹器。本文通过模型振动台试验、理论计算、以及用粘滞阻尼墙对一幢十层钢筋混凝土框架的抗震加固试设计。研究并验证了阻尼墙的减震效果。     

地震作用下黄土滑坡加速度深度放大效应及震后变形模式研究

基于相似比理论,设计并完成了典型黄土滑坡物理模型试验,采用先进的离心机振动台技术,实现水平+垂直振动,研究黄土滑坡的地震动放大效应及变形模式,并配合有限差分数值模拟方法相互验证。结果表明：沿滑坡体浅表层加速度放大作用具有明显的趋表效应,水平向和垂向加速度放大效应呈非线性增加,且水平向大于垂向;在滑坡体的滑动面附近加速度放大作用呈现出岩性结构效应;随高程增加加速度响应逐渐增大,表现出高程效应,滑坡后壁放大作用明显。随入射地震波强度的增加,滑坡体内部关键部位加速度放大作用基本是先增大后减小的趋势。强震作用下黄土滑坡的破坏形式为：滑坡后壁形成拉裂隙并逐渐扩展,滑坡后壁发生崩塌,滑体略有下挫,形成拉槽,坡体中部鼓胀,坡脚有大量崩积物。研究结果为探讨地震作用下黄土滑坡的加速度放大效应和变形破坏情况,以期为天水地区黄土滑坡的地震稳定性评价和抗震设计提供参考。