局部成层的海域岛礁场地地震反应分析EI北大核心CSCD

综合考虑岛礁与海水的动力耦合作用、固、液介质截断边界处的波动辐射效应和地震波动输入问题,建立二维局部成层的岛礁-海水系统地震反应分析模型,通过与陆域水平成层场地和斜坡平台场地的对比研究,分析岛礁场地地震动场的分布规律。结果表明,岛礁场地的地震反应幅值与水平成层场地相比明显放大,其中礁顶中点附近加速度峰值放大系数可达1~1.5,角点附近可达1.5~2。向海坡坡度和礁坪宽度等地形因素及海水的动力耦合作用均对岛礁场地的地震反应有显著影响,采用一维土层和斜坡平台场地地震反应分析难以全面地刻画岛礁场地真实的地震动场分布特征。对于重要的岛礁工程场地,有必要进行可反映其真实力学特征的岛礁-海水耦合动力分析。     

阶梯地形成层场地的斜入射地震动输入方法

基于黏性边界和地震动斜入射时水平成层场地反应算法,发展了一种阶梯地形成层场地的斜入射地震动输入方法,即两个侧面人工边界处采用各自高度水平成层场地的自由场反应作为输入,底面人工边界处采用入射波场作为输入。由于该方法是近似地震动输入方法,分析了人工边界位置、输入地震动、地震动入射角度、地表斜坡倾角及场地分层特性变化对该方法精度的影响。结果表明,平面SV地震波输入条件下,针对该文研究的各种工况,地表最大位移峰值误差均小于5%,说明提出的斜入射地震动输入方法精度较高,可用于阶梯地形成层场地的地震反应分析。     

地震波斜入射下考虑局部地形影响和土结动力相互作用的多跨桥动力响应分析

不规则地形条件下斜入射地震波场求解难度较大,以往的方法在计算精度和适用范围方面仍有不足。该文结合解析推导和有限元模拟,提出了一种基于波场分离技术的不规则地形条件下地震波输入方法,将地震P波和SV波在不同边界下进行波场分离：垂直入射时在侧面边界上分离为自由波场和散射波场,底部边界上分离为入射波场和边界外行场;斜入射时将输入侧对面的边界改为分离成入射波场和边界外行场;并充分考虑局部地形条件的影响,还基于改进的波动方法以便捷地输入节点力。同时对比了多组不同地震入射角度下规则场地和不规则场地的振动反应。结果表明：该方法在多类地形条件下计算精度与效率均较高,适用范围广且易于推广至复杂场地条件,并发现地震波入射角度和局部场地条件对地表位移响应影响较大。该研究可为不规则地形条件下的振动响应分析提供有效的手段。     

基于波场分离的不规则地形下地震波输入方法

不规则地形条件下斜入射地震波场求解难度较大，以往的方法在计算精度和适用范围方面仍有不足。该文结合解析推导和有限元模拟，提出了一种基于波场分离技术的不规则地形条件下地震波输入方法，将地震P波和SV波在不同边界下进行波场分离：垂直入射时在侧面边界上分离为自由波场和散射波场，底部边界上分离为入射波场和边界外行场；斜入射时将输入侧对面的边界改为分离成入射波场和边界外行场；并充分考虑局部地形条件的影响，还基于改进的波动方法以便捷地输入节点力。同时对比了多组不同地震入射角度下规则场地和不规则场地的振动反应。结果表明：该方法在多类地形条件下计算精度与效率均较高，适用范围广且易于推广至复杂场地条件，并发现地震波入射角度和局部场地条件对地表位移响应影响较大。该研究可为不规则地形条件下的振动响应分析提供有效的手段。     

Rayleigh波作用下桩-土-桥梁结构动力相互作用问题研究

基于等效粘弹性人工边界单元建立了可考虑成层介质及Rayleigh波输入的二维有限元时域模型,计算了Rayleigh波作用下成层介质与均匀介质的自由场反应,与理论解比较表明有限元计算结果具有较好的工程精度。针对Rayleigh波作用下桩-土-典型刚构桥梁结构动力反应进行了分析,考虑了场地条件的不同、软夹层位置的改变、不同频率Rayleigh波的输入以及桩长对Rayleigh波传播与场地地震反应的影响,对影响因素进行了讨论。     

外源波动问题数值模拟的一种实现方式

将人工边界上的波动场分解为无局部场地效应影响的自由场与局部场地效应引起的散射场两部分,无限域地基中的波动传播对人工边界的影响通过将位移场、速度场转化为应力场施加到人工边界节点上来反映,其中散射波场的模拟采用了杜修力等提出的一种远场近似解。在此基础上,利用通用有限元软件实现了斜入射条件下瞬态平面地震波作用引起的局部场地效应的时域数值模拟,为计算二维、三维局部不规则、非均匀场地的地震局部场地效应以及土结动力相互作用等外源波动问题提供了一种有效、实用的实现方式。建议方法的优点是可直接借助通用有限元软件强大的求解器和前后处理功能来计算和分析近场波动反应,且实现简便。实际上,由于通用有限元软件强大的求解功能,可方便地用于局部场地存在不均匀、非线性的情况。     

基于设计地震动的斜入射波时程确定方法对土石坝地震响应的影响

基于设计地震动的斜入射波时程确定方法对土石坝的地震响应有显著影响,分析了斜入射P波和SV波时程按均质岩体在平坦地表水平向设计地震动1/2调幅,获得这种常用方法及其适用性。在P波和SV波组合斜入射前提下,考虑两者对半无限空间自由场的共同作用,建立了空间任意点自由场分量表达式,基于控制点自由场分量与设计地震动分量相同的原则,建立了入射波时程与入射角度的函数关系,提出了基于两向设计地震动的入射波时程确定方法。分析了在按垂直入射假定确定斜入射波时程时半无限空间地表自由场和基岩-覆盖层-土石坝系统地震响应相对于该方法的偏差。结果表明:在任意非垂直入射角度下,控制点自由场响应偏离设计地震动较严重,获得的土石坝坝顶加速度大小随入射角度变化规律包含地震动强度变化的贡献,不是设计地震动作用下的结果;该方法获得的地表自由场位移与设计地震动水平和竖直分量均吻合良好,能够正确反映斜入射角度引起的非一致运动,可以在保持设计地震动强度不变的前提下,分析斜入射角度对土石坝地震响应的影响。     

P-SV波入射时海水-层状海床体系的自由场分析

基于势流理论及Biot多孔介质模型,分析了海水-饱和海床-弹性基岩体系在平面P-SV波入射情形下的动态响应。根据理想流体、饱和海床及弹性基岩之间的界面连续条件,运用Thomson-Haskell传递矩阵方法可得出饱和海床及其上覆海水层的稳态响应,并得到瞬态响应。通过算例验证了该方法的可行性以及所编程序的正确性。进一步分析了入射角度、海水层厚度对自由场响应的影响。结果表明,P-SV波入射时,入射角度和海水层对饱和土表面的响应具有较大影响,在确定海底地震动设计中不可忽视。对于地震波入射时,复杂海底地形的地震反应,以及海水-海床-结构相互作用分析,该方法可为其提供自由场输入。     

斜入射下水下地基场地地震输入的一维化时域方法

地震波斜入射下水下地基场地地震动输入问题,是涉及水层、饱和多孔介质和基岩三种不同性质介质耦合的复杂问题,目前理论成果还很匮乏。该文在现有的成层饱和多孔介质平面波斜入射的一维化时域方法的基础上,建立了水下地基场地的一维化时域计算方法。该计算方法依据Snell定理,将地震波斜入射下水层波动的空间二维问题转化为简单的一维问题,通过考虑水层与饱和多孔介质层交界面、不同饱和多孔介质交界面以及基岩与饱和多孔介质层交界面的边界条件,将已有的成层饱和土的一维化有限元方程与水层的一维化有限元方程组装,采用单相弹性介质精确人工边界条件模拟基岩半空间的波动辐射和输入特征,形成了水下地基场地的整体有限元方程,借助于中心差分法和Newmark法相结合的时步积分法,推导了地震波斜入射下水下地基场地各节点动力响应时程的显式表达式。通过与傅里叶变换得到的理论解和现有的文献进行了对比,初步验证了该文时域算法的有效性和精度,为地震波斜入射下水下地基场地地震动输入提供了一种新型高效的研究方法。     

考虑地震波幅值衰减的斜入射二维自由场

本文将传统基于地震波垂直入射的自由场构建方案推广到地震波斜入射情况。在假设平面半空间自由场由以特定角度组合入射的平面P波、SV波及其反射波构成的前提下,通过引入介质品质因子、临界幅值比和子波影响距离等参数完成了均匀线弹性介质中基于地表地震记录、考虑地震波衰减影响的自由场构建。通过地基特征点处入射P波、SV波的时、频域特性,特征点位移时程研究了临界幅值比和地震波幅值衰减因素对自由场的影响。结果显示,对于水工结构等低频激励起主要影响的结构来说,构建自由场时临界幅值比的选择具有较大自由性;在岩体较完整、涉及范围较小时,地震波幅值衰减因素对自由场的影响较小,可忽略不计;但在一些极端情况下,地震波幅值衰减因素对自由场的影响可能达到20%左右。