饱和土–结构动力相互作用分析中地震动输入方法研究

为解决地震荷载下土–结构相互作用研究中地震动的输入和半无限地基的模拟两个关键问题,阐述并比较了不同地震动输入方法,如波动法、人工边界子结构法和DRM方法。相对于其他地震动输入方法,DRM方法将地震动外源激励转化为内源激励问题,且在考虑材料非线性时,不需要对整体模型进行非线性分析,提高了模型的计算效率和准确性。基于区域缩减法DRM提出了针对饱和土多孔介质的地震动输入方法,用数值算例验证了该方法的有效性。     

圆形隧道衬砌背后空洞对隧道结构影响的振动台模型试验

为研究圆形隧道背后空洞对结构抗震性能的影响,开展振动台模型试验研究。从地层参数、试验模型相似比、模型箱设计、人工边界处理、传感器布置及地震动加载制度等方面,详细介绍模型试验方案。分析模型箱的边界处理效果,重点考察了模型地基的加速度反应、隧道结构的加速度反应、隧道结构的动应变规律及特征。试验结果表明:模型箱设计合理,边界的设置能够很好地模拟原型土域;随着地震波的向上传播,模型地基中的峰值加速度逐渐增大,地表处的加速度放大系数随着台面输入地震动的增大而减小;在较小地震动作用下,圆形衬砌背后空洞会缩小断面的加速度响应,而在较大地震动作用时会明显增大断面地震反应。     

地下结构随机地震响应分析及其动力可靠度研究

应用随机振动理论,采用概率分析方法初步研究了地下结构线弹性工作状态的地震随机响应及其地震动力可靠度,为地下结构抗振设计方法研究提供一定的理论参考。为此主要做了如下工作: (1) 将现有地下结构抗振计算原理和结构动力分析的脉冲响应函数原理结合起来,提出了地下结构地震动力响应计算的加速度脉冲函数法,推导了利用脉冲响应函数计算地下结构随机地震响应数字特征的数学表达式,提出了利用脉冲响应函数计算地下结构随机地震响应数字特征的分析方法。比较分析表明,脉冲函数法用于地下结构动力分析,具有计算精度高、计算简单的特点。 (2) 将日本田村重四郎-冈本舜三提出的沉埋隧道地震反应分析的数学模型应用于地下结构随机地震反应分析,利用数值分析方法建立了隧道整体随机地震反应分析的数学模型,得到了地下结构整体随机地震动力响应数字特征的数学表达式,为地下结构整体随机地震反应分析及动力可靠度的研究提供了一种分析途径。以南京长江隧道为例,计算了高斯平稳随机过程的地震荷载作用下该隧道整个长度上的动力反应均方根值。 (3) 利用Davenport公式计算了3种地震动模型的地下结构响应最大值的统计参数。计算结果表明,由弹簧质量模型算得的地下结构在地震作用下纵向振动和横向振动产生的纵向和弯     

可液化地层中地铁隧道地震响应数值模拟及其试验验证

饱和砂土地层中的地下结构在地震作用下可能因地基液化而发生破坏。采用动力固结两相体有限元程序DIANA SWANDYNE-II对可液化地层中地铁隧道结构的地震响应进行了模拟,并与动力离心模型试验结果对比以验证其效果。选用广义塑性模型Pastor-Zienkiewicz III模拟可液化土的动力特性,基于Biot方程的u–p形式建立有限元方程,进行饱和土动力固结的耦合计算。计算表明,该数值模型可较合理地模拟地下结构的地震反应特性,计算结果与试验现象基本相符。地基液化引起的结构附加内力及隧道上浮主要受地基液化时土水压力变化的影响,截断墙的设置可有效减轻隧道结构的上浮。     

深厚软土场地中三维凹陷地形非线性地震响应分析

采用黏弹性人工边界并结合地震动输入等效结点力法实现半无限场地的波动输入,采用等效线性法模拟土体的非线性特征,基于有限元软件ABAQUS,建立弹性基岩上覆深厚软土中三维凹陷地形非线性地震响应分析模型。通过与文献比较,验证了整体模型的精度。以天津地区某一浅椭球凹陷地形为例进行数值计算,比较了非线性地震响应与线性地震响应的差别,并进一步分析了三维凹陷地形对非线性地震响应造成的影响,最后计算了在地震安全性评价人工波作用下三维凹陷地形的非线性地震响应。研究表明,土体的非线性特征对三维凹陷地形地震响应有显著影响。研究还发现一个特殊现象,即凹陷地形中心附近的非线性地震响应可能会大于其线性地震响应,且地震激励幅值越大,这一现象越明显。对于三维复杂局部场地的非线性地震响应研究,模型具有一定的参考价值。     

复杂地层条件下大断面盾构隧道纵向地震响应分析

为探明深圳市某跨海盾构隧道在纵向地震动作用下的地层地震响应及可能发生灾害的区域,建立大尺寸复杂地层地震动模型,通过盾构隧道所在地层加速度放大情况及地层应变情况对地震动作用下不同地层加速度放大倍数、不同区间段风险进行分析,并划分地震破坏灾区。研究结果表明:盾构隧道埋深越大,隧道拱底及拱顶地震动加速度放大倍数差值越小、更易划分为轻灾区,受地震破坏影响较小;隧道穿越地层越复杂,隧道拱底及拱顶地震动加速度放大倍数差值越大、更易发生地震破坏;当隧道穿越上软下硬地层时,隧道拱腰及以上部位更易发生较严重破坏,应对盾构隧道上部区域进行加强。     

地下结构抗震分析中地震动输入方法研究

在考虑不同节点处地震波相位差及自由表面处地震反射波影响的基础上,基于波场分离技术与黏弹性人工边界条件推导了适用于地下结构的节点力地震动输入方法。这种地震动输入方法能够有效保证边界应力及位移与原场一致且能考虑地震波传播的相位差。将这种地震动输入方法在通用有限元计算软件ABAQUS中实现,实例验证结果与解析结果对比表明,这种方法具有良好的精度。最后将这种地震动输入方法运用于某越江盾构隧道进行动力分析,得到了管片与地层之间的摩擦系数对管片节点相对位移及管片内力的影响。     

不同坡度条件下岩溶区隧道的地震动力响应

虽然相比于地面构筑物,地下结构具有良好的抗震性。但近年来研究发现,岩溶地质条件下隧道结构仍会出现严重的震害,且震害的程度也会随隧道所处地形差异而不同。为研究其地震动力特性,借助ABAQUS有限元软件,以福建某一隧道为依托,基于黏弹性人工边界建立二维有限元计算模型,分析了不同坡度下岩溶区隧道的地震动力响应,得到了衬砌结构各监测点的应力、位移以及围岩最大塑性区变化情况。     

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。     

地面出入式盾构隧道动力响应试验对比分析

地面出入式盾构隧道（ground penetrating shield tunnel, GPST）的地震动力响应与传统隧道有显著区别,这是由于GPST部分衬砌出露地面,部分埋置于地下,其动力特性与一般隧道或地面建筑都有所不同,采用振动台试验方法对GPST的地震动力响应进行分析。本研究建立了大型隧道-地层模型,合理模拟了隧道的接缝、衬砌环横截面和纵向刚度,并还原原型场地的动力参数。模型隧道的总长7.7m,埋深范围为-0.5D～0.5D,其中D为隧道直径。试验中输入地震动为上海人工波,输入方向垂直隧道轴线。试验对两种结构形式的隧道进行分析,分别为标准衬砌环和顶部开洞衬砌环,重点分析了隧道在地震中的加速度响应和直径变形响应,以揭示GPST的动力响应特性。研究表明,隧道埋深对隧道的地震响应产生显著影响。随着埋深减小,隧道顶部加速度响应增大,表现出了显著的摆动效应。随着埋深的增加,隧道直径变形响应也相应增加,但顶部开洞衬砌环在出由于刚度显著降低,直径变形响应也出现极值。总的来说,地下段（D≥0）结构响应主要受控于土-结构相互作用（SSI）的影响,而出露地面的隧道（D <0）由于没有地层的约...     

深厚软土场地道路隧道结构横向地震响应分析

确定场地范围和地震输入方式是道路隧道地震响应分析的前提。以上海深厚多层软土场地的自由场解析为基础,验证2D有限元模型的场地基岩和侧向边界假定的合理性;进而选取典型盾构法和明挖法隧道为研究对象,建立有限元2D地层-隧道地震动力响应分析模型,分析评价合理的基岩面深度与侧向边界宽度。结果表明:深厚软土场地的隧道地震响应分析应采用黏弹性人工边界以合理实现自由场边界;侧向边界的选取范围对隧道的动力响应影响较小,计算模型的底部边界深度对响应影响较大;取70 m深度为基岩面得到隧道结构地震动力响应是偏于安全的,但场地的基频有所变化。     

盾构隧道纵向地震响应分析研究

广东地区地层情况为条件,研究盾构隧道在不同埋深以及不同地震波激励作用下的地震响应特性,利用有限元软件ADINA中的弹簧阻尼单元模拟粘弹性人工边界,进而可以有效地分析结构-地基的动力相互作用问题。对盾构隧道在地震作用下衬砌结构的应力场与位移场进行数值模拟计算,分析衬砌结构的稳定性和变形,并对计算结果进行了对比研究。     

基于流体单元法的深水圆端型空心桥墩地震响应分析

基于势流体理论建立考虑墩-水相互作用的深水圆端型空心桥墩三维有限元模型。分析桥墩考虑内域水、外域水及同时计入内、外域水时,不同水位下的动水效应对桥墩自振频率及动力响应的影响,并讨论桥墩壁厚不同时,内域水、外域水及同时考虑内、外域水作用对桥墩地震响应的影响规律。研究表明:动水效应使桥墩的自振频率下降,桥墩的动力响应和墩顶位移明显增大,且同时计入内、外域水的影响最大;桥墩的壁厚越薄,内域水和外域水及同时考虑内、外域水对桥墩地震响应的影响均会增大,三者相比,壁厚对考虑内域水作用的空心桥墩地震响应的影响最大;内域水对桥墩地震响应的影响不可忽略,建议在计算中同时计入内外域水的影响。     

厚层堆积体偏压隧道洞口段动力响应特性研究

文章结合飞仙关隧道洞口段覆有厚层松散堆积体的工程实际,分析了强震作用下山岭隧道结构地震动力响应基本原理,运用有限差分软件建立数值模型,模拟在地震作用下穿越软硬交界面隧道结构的动力响应特性。通过分析地震动过程中隧道衬砌结构的应力、横纵向变形和围岩塑性区的破坏程度及范围,得出隧道结构在地震作用下的危险位置和抗震设防的重点部位。     

频率波数域内地壳层半空间剪切位错源宽频地震波传播模拟

剪切位错源地震波传播模拟是近断层地震动研究的理论基础，然而现有确定性方法在高频地震动求解和跨尺度计算中存在一定的不足。提出一种剪切位错源宽频地震波多尺度传播模拟的频率–波数域方法，能有效解决从高波速地壳尺度(公里级)到低波速岩土尺度(米级)成层半空间宽频(覆盖0.1～10 Hz的工程结构敏感频段)地震响应问题。利用Fourier-Hankel变换将柱坐标系下的三维波动方程由时间–空间域转换到频率–波数域内，并结合震源作用处的位移–应力间断条件，由修正刚度矩阵方法求得位错源引起的黏弹性层状半空间动力响应。首先与经典Haskell方法比较验证提出方法的正确性和精度，进而建立天津地区地壳结构中跨尺度场地模型，重点讨论震源频率和近地表软弱夹层对地震地面运动的影响。研究结果表明：(1)新方法在宽频地震动和含低波速细分土层的模拟中十分适用，能够清晰观测到位错源作用下地震波在层界面的反射、转换和透射等复杂传播过程及引起的地面运动特征；(2)软弱场地地面运动受震源频率影响明显，高频地震动作用使得地震辐射能量强度及范围增大，或将导致更为严重的地面破裂和结构破坏；(3)不同埋深和厚度的近地表软夹层对软弱场...     

高烈度区输水泵站地下结构地震易损性分析

为开展某输水泵站地下钢筋混凝土结构的地震易损性评估，文中采用钢筋混凝土纤维模型和土体弹塑性本构关系，建立了输水泵站地下钢筋混凝土结构的非线性有限元模型。应用增量动力分析方法，按一定比例调整地震动加速度峰值，计算了地下结构在不同强度地震动作用下的弹塑性动力反应。以最大层间位移角和最大抗剪承载力比作为结构的两个性能指标，通过响应面法构建了地下结构在极限状态下的响应面。采用验算点法、均值一次二阶矩法和蒙特卡罗法，计算了地下结构在不同强度地震动作用下的条件失效概率，确定了地下结构的易损性曲线，并对其进行了地震易损性评估。     

爆炸荷载作用下双线隧道的动力响应分析

为研究单侧隧道内爆炸荷载作用下双线隧道的动力响应,文中先是进行了自由大气中爆炸过程的数值模拟来计算起爆阶段爆炸冲击波在空气中的传播,然后采用映射的方法将冲击波即将达到左侧隧道衬砌结构的计算结果映射至炸药-空气-双线隧道衬砌-围岩与土体的二维耦合体系模型中继续计算,其结论可为相关数值模拟研究提供参考依据。     

地下工程数值计算中地震动输入方法选择及实现

 在运用有限元数值方法进行地下结构抗震分析中,人工边界及地震动输入方法将直接影响到计算精度。在分析人工边界原理及常用地震动输入方法的基础上,研究地震动输入方法与人工边界间的相互作用。研究结果表明,不同地震输入方法将显著影响人工边界的吸收性能,而不同的人工边界需要采用与其相适应的地震动输入方法。接着分析两者相互作用的机制,并以无限元人工边界为例提出与其相适应的地震动输入方法,并编制相关输入程序,实例计算结果表明,所提出的地震动输入方法及相应的输入程序具有良好的精度。研究内容可为地下结构有限元抗震计算中人工边界及地震动输入方法的选择提供依据。     

基于ANSYS的北京某明挖地铁车站抗震分析

利用ANSYS对北京某明挖地铁车站在水平地震波作用下的响应进行分析。建立土体与地下结构的相互作用模型,周边采用黏弹性人工边界模拟远地场,选用三种不同地震波对地铁车站进行了时程分析,同时分析埋深对车站地震响应的影响。计算结果表明,地震波的种类和埋深对地下结构地震响应影响较大。     

考虑水平及竖向地震影响的盾构隧道动力分析及Pushover方法研究北大核心

为了研究竖向地震对盾构隧道的影响,并得到考虑竖向地震影响的简化静力计算方法,基于静动力统一粘弹性人工边界单元,分别建立了包含周围地基土-盾构隧道结构体系的二维非线性有限元动力和静力模型,研究了地铁隧道结构的地震反应特性,对比了仅考虑水平地震和同时考虑竖向地震输入情况下,盾构隧道的动力反应,分析了竖向地震对盾构隧道的动力性能的影响,可以看出,竖向地震对地下盾构隧道影响较大,应考虑竖向地震影响,并提出一些抗震措施建议.通过静力计算模型,基于一维动力模型输入水平地震和竖向地震波作用,获得土层的分布形式,得到一维场地反应计算目标位移,研究了考虑水平及竖向输入的静力推倒的弹塑性方法(Pushover分析)的加载模式,并采用竖向均布的体力模拟竖向地震动,与动力时程计算结果进行对比研究,讨论了考虑竖向Pushover方法的适用性,提出了考虑竖向地震荷载的静力简化方法,采用倾斜度作为抗震性能指标,并讨论了隧道结构的地震破坏准则。