基于两向设计地震动的二维自由场构建

针对在设计地震动基础上构建平面半空间自由场的问题,在综合考虑水平向与竖直向设计地震动基础上获得平面半空间自由场,实现了将设计地震动与以任意角度组合入射的P波、SV波构成的自由场相联系。首先在已有成果的基础上,研究了以任意角度入射情况下P波及其反射波、SV波及其反射波对水平向和竖直向设计地震动的贡献;然后在假设入射P波、SV波与两向设计地震动具有相同频率组成的基础上,获得了以特定角度组合入射条件下P波、SV波的频谱和相位信息;进而通过傅里叶逆变换获得入射P波、SV波的时间序列;最后依据P波、SV波及其反射波在平面半空间的传播情况获得自由场条件下平面半空间内任意点的水平向和竖直向地震动。该文所采用的波场构建方法可实现对包含任意频谱和相位信息的两向设计地震动所对应的平面半空间自由场的构建,所获得的斜入射P波和SV波也具有各自的频谱和相位信息。最终得到的平面半空间自由场任意点水平向和竖直向地震动时间序列具有非一致性;根据入射P波、SV波结合地基边界条件确定的空间点地震动时间序列可用于结构的非一致地震动输入。     

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。     

地震动空间差异对沥青混凝土心墙土石坝-覆盖层地基系统响应影响研究EI北大核心CSCD

地震动的空间差异性往往对结构-地基系统的响应具有显著影响。从地震动差异形成的物理机制出发,基于二维设计地震动确定入射P波、SV波时程,在波动输入模型基础上引入地震动组合效应构建了空间非一致地震动场,建立了空间差异地震动的波动输入模型。进一步研究了地震动场空间一致输入和非一致输入下沥青混凝土心墙土石坝-覆盖层地基系统的地震响应。结果表明,非一致地震动场输入模型获得的地表自由场控制点位移水平和竖直分量均与设计地震动吻合良好,能够在考虑地震动空间相关性基础上模拟地震波传播的时间滞后、幅值变化和时程形状差异等空间差异特征。与一致输入相比,非一致输入下覆盖层建基面水平向和竖直向加速度分布方差最大增大341%和50%。地震动的空间差异引起心墙竖向应力和剪应力峰值最多增加198%和51.9%。坝顶加速度和永久变形平均值均有所增加,最大结果分别增加25.53%和13.06%。传统的一致波动输入方法可能会低估结构地震动响应,分析沥青混凝土心墙土石坝-覆盖层地基系统的地震响应有必要考虑地震动的空间差异性。     

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。     

层状弹性场地基岩斜入射地震动二维反演

提出了层状弹性场地基岩斜入射地震动二维反演的一个方法,方法利用土层和半空间的精确动力刚度矩阵,根据地表某一点的水平和竖向两个地震加速度记录,进行基岩地震加速度时程和入射角的反演,并以SV波二维斜入射为例对方法进行了验证。研究表明,根据水平和竖向两个地震加速度记录可以进行基岩地震加速度时程和入射角的准确反演。同时,对文献中仅根据地表水平加速度记录进行基岩面水平地震动的一维反演方法进行了误差分析,研究表明,一维反演因忽略了波型转换,在模型上存在一定的误差,且误差随着实际地震动斜入射角的增大而显著增大。     

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。     

基于IBIEM的河谷场地非一致地震动特性及影响因素分析EI北大核心CSCD

采用间接边界积分方程法(indirect boundary integral equation method, IBIEM),分析了SH波入射下梯形河谷表面地震动特性和分布规律,研究了地震波斜入射角度、斜坡坡度、底宽以及场地剪切波速对场地地震动特性及非一致分布规律的影响机制,深入分析了不同剪切波速下河谷散射效应对地基截断边界地震动场的影响规律。结果表明,随着左侧斜入射角的增大,左侧斜坡放大效应逐渐增强,两岸地震动非一致分布特性越趋明显。左侧斜入射地震波,随着斜坡变缓,地形散射效应引起的放大区域逐渐向右扩展,两岸坡顶及坡脚地震动非一致性增强;随着底宽的增大,地形散射效应引起的放大区域逐渐由右扩展,坡脚相对位移对底宽变化敏感,两岸坡脚地震动非一致性增强;波速较小情况下,河谷散射效应显著,左侧坡顶位移峰值最大为右侧坡顶的1.45倍,两岸地震动非一致性明显。在截断边界输入地震动时,应充分考虑河谷地形散射效应,将自由场和散射场组成的总场作为输入,以获得合理的地震动输入。     

P波斜入射下非基岩场地中核岛结构地震响应规律研究

随着我国核电产业飞速发展,核电站厂址的选择将不可避免地遇到非基岩场地。针对地震动斜入射下非基岩场地中核电结构抗震问题,建立了包括CAP1400核岛结构和岩土场地的土-结构系统三维有限元模型,基于黏弹性人工边界和斜入射地震动输入方法,研究了P波斜入射角度和非基岩分层场地对核岛结构地震响应的影响规律。研究表明:非基岩场地将增大核岛结构加速度响应和楼层反应谱,多数条件下也将增大楼层相对位移;P波入射角度增大,核岛结构竖向响应减小、水平响应增大,楼层反应谱的频谱特性发生改变。     

地震波斜入射条件下重力坝动力响应分析

为建立反映设计地震动的斜入射波场,将地表地震动时程分量分解为斜入射的平面SV波和平面P波,使其共同作用下在地表产生与设计地震动分量相同的响应,而其他方向响应为0,根据固体介质中波的传播理论,推导了斜入射波入射角度之间的关系,以及幅值与设计地震动分量的联系,通过采用平面波和远场散射波混合透射的应力人工边界条件,得到了反映设计地震动的地震波斜入射条件下的解析方式,以此为基础建立了时域计算分析模型。将该方法应用于某重力坝―地基动力相互作用分析,在不同地基刚度下与垂直入射的情况进行了比较,计算结果表明：地震波斜入射时对重力坝结构有明显的影响,尤其是坝－基交界面上,结构的动力响应要大于地震波垂直入射时结构的动力响应。该方法在均匀地基假设下构造了反映地表设计地震动特征的斜入射波系,斜入射波系在地表的响应具有非一致特征,同时该方法考虑了地基的辐射阻尼,可用于重大工程在地震动非一致输入下的动力响应分析。     

SV波超临界角斜入射时层状地基地震动输入在ABAQUS中的实现

有限元数值模拟中,超临界角斜入射SV波作用下层状地基的地震动输入是一个亟待解决的问题。该文采用层状地基频域内精确的动力刚度矩阵(即频域刚度矩阵法)推导了SV波任意角度斜入射下的地震动输入等效节点力计算公式,通过ABAQUS有限元软件模拟SV波斜入射下均匀半空间、层状地基的地震波场,探讨了基于频域刚度矩阵法的层状地基任意角度斜入射地震动输入应用于ABAQUS有限元软件的有效性和准确性。结果表明,采用频域刚度矩阵法可以在ABAQUS中实现层状地基任意角度斜入射SV波地震动输入,且方法具有很高的计算精度,尤其对于SV波超临界角入射情况,有限元数值模拟很好地再现了均匀半空间地表质点的椭圆型运动轨迹和层状地基的行波特点。在此基础上进一步将频域刚度矩阵法与等效线性化方法相结合,解决了考虑土体非线性的层状地基在任意角度平面波入射条件下的地震动输入问题。     

近断层地震动斜输入下水电站厂房非线性地震响应研究

与远场地震动相比,近断层地震动往往有较大的速度和位移脉冲效应,且由于其发震断层埋深较浅,地震波垂直地表向上入射假定一般不再适用。目前关于水电站厂房抗震研究均未考虑近断层脉冲型地震动斜输入的影响。选取符合某水电站场地条件的近断层脉冲型和非脉冲地震动记录各5条,依据波动理论,采用黏弹性动力人工边界法,推导了SV波三维斜入射下的人工边界等效结点力计算公式,并进行了算例验证。建立了水电站厂房三维塑性损伤有限元分析模型,分析了水电站厂房在脉冲型和非脉冲地震动垂直和斜输入条件下的非线性地震响应。结果表明,近断层脉冲型地震动斜输入可以激起厂房结构的高阶振型,引起水电站厂房下部结构较大的损伤、位移、及应力响应,对厂房的破坏作用最强。     

钢管混凝土拱桥台阵试验研究:场地条件的影响

为了研究不同场地条件对钢管混凝土拱桥地震响应的影响规律,以某钢管混凝土拱桥为原型,设计制作1/16缩尺比例模型,依据NEHRP场地分类标准,选取符合不同场地条件的ChiChi地震波,利用多子台积木式振动台台阵系统,完成了纵向、横向、竖向、横向+纵向和横向+竖向一致地震动输入的对比试验。研究结果表明:场地条件对此类钢管混凝土拱桥响应的影响较为显著,结构响应由A类至E类场地逐类递增,结构在E类场地下的响应为A类场地的1.6倍~4.1倍;相对于水平向加速度响应,拱顶竖向加速度响应对场地条件更为敏感,场地条件对竖向加速度的放大作用要高于水平向加速度,在确定设计加速度反应谱时,如果竖向设计加速度反应谱与水平设计加速度反应谱采用相同的场地系数会使竖向加速度反应谱最大值偏小。     

地震波斜入射下层状TI饱和场地地震反应分析

滨海地区的天然土体在长期的风化和沉积作用下,其水平模量往往会大于其竖向模量,表现出明显的横观各向同性(TI)饱和特性,目前还很少有针对地震波斜入射下TI饱和场地动力响应问题的研究。将Haskell-Thomson传递矩阵方法拓展到层状TI饱和半空间,求解了直角坐标系下两相介质的Biot动力平衡方程及孔隙流体运动方程,建立了层状TI饱和半空间传递矩阵,并结合地表边界条件求解了地震波斜入射下层状TI饱和场地自由场的时域反应。该文验证了提出方法的正确性,进而以CNTEWGXE波(0.3 g)作为输入地震动,研究了土体TI性质及饱和特性对场地加速度时程及反应谱的影响。结果表明:层状TI饱和场地和各向同性饱和场地地表的动力响应存在一定差异,TI参数的改变使得场地对地震波产生不同的滤波和放大效应;场地的饱和特性对地表的动力响应有重要影响,饱和多孔介质固液耦合作用对地震波具有削弱作用;地震波斜入射时地表加速度时程及反应谱响应小于其垂直入射时的响应,且入射角度对q P1波入射时的场地影响更明显。     

斜入射SV波对地铁车站地震响应的影响

在显式有限元法结合黏弹性人工边界的时域波动方法的基础上,建立了三维平面SV波斜入射的输入方法。半空间算例说明了该文方法具有较好的精度,并基于所建立的斜入射方法研究了地震波斜入射对北宫门地铁车站地震响应的影响。该算例结果表明:在地震波斜入射情况下,地铁车站的地震响应规律与垂直入射时的情况具有明显差异;斜入射角度对水平加速度响应并不敏感,但对竖向加速度影响较大;斜入射使得车站柱子构件的剪力和轴力明显改变,柱子轴力随着入射角增加而明显增大;边墙控制点的应力状态也受入射角的影响较大,各控制点的第一、第三主应力都出现了随着入射角度增加而增大的规律。在地铁车站等地下结构抗震研究中,应考虑地震波斜入射的影响。     

面向地震动记录和模拟地震动的工程随机地震动数据库研究

收集了来自156次地震的共计7778条水平加速度记录。分别采用基于能量分布和震级-距离的地震动记录聚类分析方法,将7778条水平加速度记录划分为12组,作为地震动记录数据库的基础数据。基于工程随机地震动的物理模型,采用窄带波群叠加方法合成了不同场地类别、震级和传播距离下的24组模拟地震动,包括100条每组的12个小样本组和300条每组的12个大样本组,共计4800条模拟地震动时程,作为模拟地震动数据库的基础数据。利用聚类分组后的地震动记录和各分组模拟地震动,开发了基于Windows系统的工程随机地震动数据库系统,实现了地震动的检索以及时程、反应谱和相关地震信息的可视化及数据下载。     

汶川地震竖向地震动特征初步分析

选择国家强震动台网中心发布的2008年5月12日汶川地震四川、甘肃、陕西等地台站中的94组加速度记录进行了处理,提取了一些主要地震动参数,应用统计分析方法重点对地震动竖向与水平峰值加速度比、竖向与水平加速度反应谱及竖向与水平卓越周期比等进行了研究。结果表明:竖向与水平峰值加速度比的平均值为0.58,但约30%台站的峰值加速度比大于2/3;竖向与水平峰值加速度比随震中距的增大减小,近震区该比值离散性较大,场地条件对该比值也有较大的影响;在周期0~6s内竖向与水平加速度反应谱比曲线总体呈马鞍形;不同的周期段,竖向加速度反应谱和水平加速度反应谱的谱形有较大差异,相比水平加速度反应谱,竖向加速度反应谱偏“瘦”;除少数台站外,绝大部分台站竖向与水平卓越周期比均小于1.0,该比值随震中距的增大而增大,并逐渐趋于平缓。上述研究结果可以为时程分析选取竖向地震动输入提供参考。