地震波斜入射时水平层状场地的非线性地震反应

利用土层和半空间的精确动力刚度矩阵,可求解地震波斜入射,水平层状场地的动力响应,并可得到各土层的位移、应力及应变结果。结合等效线性化算法,可分析斜入射地震波(SH,SV,P)时场地的非线性地震反应。研究表明:入射角对地表的加速度峰值有重要影响,未必在波垂直入射时最大,可能有多个峰值;实际地震波入射角平均在60°左右,与斜入射SV波时峰值放大倍数最大值出现的角度基本一致,按垂直入射计算得到的结果可能不安全,表明了在场地非线性地震反应中研究斜入射的必要性。     

基于快速多极边界元法的局部场地对地震波高频散射二维模拟

结合快速多极子展开技术与间接边界元法,发展一种新的高频地震波散射(二维平面内)快速模拟方法。精度和效率检验表明该方法具有很高的计算精度、求解效率及良好的数值稳定性,同时可大幅度降低计算存储量。进而以半空间峡谷与凸起地形对平面SV波的高频散射为例,讨论了峡谷及凸起周围地震波宽频散射基本特征,给出了千米尺度局部场地、0~25 Hz频带宽度的散射模拟结果。分析表明:高频SV波垂直入射下,峡谷角部水平和竖向位移均表现出明显的放大效应,而峡谷底部的散射效应较弱;半圆凸起顶部附近水平位移谱峰值高达5.0,山脚处位移反应则受到明显的抑制作用;斜入射情况,峡谷地形迎波面一侧位移幅值较大,而凸起地形则是背波面一侧放大显著。数值结果可为复杂局部场地中大型工程抗震设计提供部分理论依据。     

竖向强震作用下密贴地铁地下交叉结构动力响应分析

研究密贴地铁地下交叉结构的地震反应特性,对地铁地下结构穿越工程的建设和安全运营有着重要的现实意义。利用 FLAC^3D 有限差分程序对北京地区典型密贴地铁地下交叉结构进行了地震响应的数值模拟分析,研究了竖向强震作用下地铁区间隧道密贴下穿地铁车站结构体系的地震反应特性,并与单一地铁车站的地震反应特性进行了比较,研究表明：密贴地铁车站交叉主体结构由于车站-隧道结构间的相互作用,较单一地铁车站主体结构竖向位移及受力具有明显的增减,并与输入地震动的特性有关,且各监测部位增减幅值基本一致;由于土体对地震动高频成份的显著滤波作用,因此高频丰富的汶川卧龙波作用下地铁车站主体结构竖向相对位移差–时程及应力差–时程明显小于低频丰富的阪神波作用下地铁车站主体结构竖向相对位移差–时程及应力差–时程;地铁车站主体结构竖向相对位移差 - 时程及应力差–时程对于输入地震动的峰值加速度不太敏感。     

地震波三维斜入射作用下隧道#br# 对场地地表地震动的影响

利用2.5维有限元-边界元耦合方法,以饱和土场地中圆形隧道为例研究了地下隧道对场地地表地震动加速度的放大效应,主要讨论了地震波入射角的影响。假定地震波在基岩面三维斜入射,用水平入射角θh和竖向入射角θv两个角度来表示地震波的入射方向。研究表明,地震波斜入射时的场地地表地震动加速度放大系数显著大于地震波垂直入射情况,且地震波入射角对场地地表加速度反应谱的幅值、形状以及卓越频率也均有一定程度的影响,尤其对竖向加速度反应谱卓越周期的影响显著。此外,针对本文算例,θh< 30°且θv> 30°时,场地地表地震动竖向加速度与水平加速度的比值大于规范推荐的0.65,且此时竖向加速度反应谱的幅值可能会大于水平加速度反应谱的幅值。     

地震波斜入射时二维成层介质自由场求解的等效线性化方法

基于等效线性化频域数值求解方法和二维应变空间状态理论,提出了一种地震波斜入射时二维水平成层介质的非线性地震反应分析方法。首先,建立地震波斜入射下成层弹性介质频域传递矩阵;其次,结合等效线性化方法,给出了地震波斜入射情况下二维等效剪应变求解方法,进而求得任一层的等效刚度和阻尼比,并进行迭代计算,直到满足给定的精度为止;最后根据满足精度要求的等效刚度和阻尼比进行成层介质地震反应分析,求取目标层的地震响应。对某二维水平成层场地地震波斜入射(SH波、SV波和P波)时的非线性地震反应进行了计算,并研究了成层介质场地地震反应随入射角的变化而变化的规律。     

大跨斜撑无柱地铁车站结构地震响应分析

为研究大跨斜撑无柱地铁车站地震响应特性,基于三维静-动力耦合非线性有限元模型,分析在不同地震动作用方向下的地震响应规律,揭示结构地震损伤演化过程。分析表明:设防地震和罕遇地震作用下车站结构的最大层间位移角分别为1/1 352和1/602,满足规范要求;地震作用对斜撑轴力、侧墙端部剪力和底板跨中弯矩的放大作用显著;随输入地震动强度的增加车站顶板加速度放大系数依次减小,竖向地震动对相对竖向位移的影响不可忽视;斜撑两端、墙板交界处和开窗周围区域是结构的抗震薄弱部位;强震作用下,车站结构塑形损伤积累且地震动空间效应显著,宜按空间问题进行抗震分析。研究成果可为类似结构的抗震设计与分析提供参考。     

地震作用下地铁车站横截面变形的影响因素研究

基于地下结构在地震作用下的反应特征,通过建立合理的计算模型,计算不同结构刚度、接触面摩擦系数以及地震波等条件下地铁车站的最大层间位移变形。构建不同周期的正弦简谐波,分析荷载的周期对车站横截面最大层间位移的影响。研究结果表明:结构相对刚度越小,其层间位移变形越大;对于刚度大的地铁车站,周围土体对结构的约束作用越弱,其最大层间位移变形越小;对于柔度较大的车站结构则出现相反的变化;正弦简谐加速度波作用时,简谐波周期超过2s后,最大层间位移变形与简谐波周期呈指数增长趋势;在低频段,简谐波的最大位移值控制地铁车站的最大层间位移变形。     

地铁车站结构下穿地表建筑地震响应分析

基于ABAQUS软件建立了地表结构—土—下穿地铁车站结构大型三维有限元数值模型,数值分析了下穿地铁车站结构在不同类型地震波作用下的地震响应规律,并将下穿一体化地铁车站结构与下穿密贴地铁车站结构计算结果进行对比分析,探讨了下穿地铁车站结构的地震响应特性。结果表明:下穿密贴地铁车站结构的整体性相对较差,车站结构与上部结构出现了滑移现象,车站顶层层间相对水平位移较小,其余层的层间相对水平位移较大;下穿一体化地铁车站结构受力相对较大,各构件连接处及各层中柱依然是抗震设防的重要部位,建议下穿地铁车站中柱采用高强高延性的钢管混凝土柱或型钢混凝土组合柱;中远场地震波能够对中软土场地中下穿地铁车站结构的位移、加速度和内力等动力特性产生显著的影响。     

框架式地铁车站结构大地震近场地震反应特性的三维精细化非线性分析

基于 ABAQUS 软件的 32CPU 显式有限元并行计算集群平台,建立了深软地基土–框架式地铁地下车站结构体系三维精细化非线性地震反应分析的有限元模型,数值模拟了汶川大地震清平波、卧龙波和 100 a 超越概率 3% 的南京人工地震波作用下深软地基上三层三跨框架式地铁地下车站结构地震反应特性的差异。结果表明：大地震近场强地震动将对深软地基上地下车站结构造成严重损伤,甚至发生塑性破坏或坍塌,柱、楼板、侧墙的结合部位是抗震的不利位置,中柱为抗震最薄弱构件,输入近场地震动的峰值加速度和频谱特性对地下车站结构的地震反应均有很大影响;地下车站结构的地震反应具有明显的空间效应,且在大地震近场强地震动作用下地下结构会产生单向累积的永久位移;清平波、卧龙波作用下地下车站结构的地震反应远大于 100 a 超越概率 3% 的南京人工地震波作用下的地震反应;结构浅埋部分的地震损伤比深埋部分更大。     

上穿既有地铁的综合管廊三维地震响应研究

以北京城市副中心城市综合管廊工程为背景,基于有限元理论,采用ANSYS程序建立上穿既有地铁的综合管廊计算模型,分析在EL Centro波作用下引起的动力数值响应特征。研究表明:(1)沿垂直管廊水平走向输入地震波,引起的最大水平及竖向位移分别为0.073 m和0.033 m;而竖向输入地震波只引起竖向位移,最大值为0.145 m;双向(垂直管廊水平走向和竖向)同时输入地震波引起水平的位移响应与单独水平方向输入有明显的差别,而产生竖向位移与单独竖向输入有良好的一致性。(2)双向输入地震波引起管廊在水平和竖向的加速度峰值分别为0.886g、0.819g,明显大于单向输入引起的加速度响应(0.52g、0.75g)。(3)结构的应力峰值主要在第2～5s持续波动,双向输入产生的Mises应力峰值为2.46 MPa,远大于单方向地震输入产生的Mises应力(0.92 MPa、0.71 MPa)。     

地下水位上升对上海软土场地地震反应的影响

根据工程地质勘探和室内外试验建立上海软土场地计算模型,采用Biot动力固结理论,结合弹塑性边界面模型,研究三向地震作用下地下水位上升对场地土层地震反应的影响。利用具有水平和垂直三向完整加速度记录的Taft波构造基岩输入地震动时程曲线,分析三向地震作用下地下水位上升对土层竖向和水平加速度放大效应、竖向与水平加速度峰值比、地表加速度和反应谱特征以及沿土层深度最大孔隙水压力和孔压比的影响。计算分析表明：地下水位上升对水平向和竖向峰值加速度的放大效应影响差异显著,同时对地表加速度及其反应谱特征具有重要影响。地下水位的上升,地表水平峰值加速度放大效应增大,竖向峰值加速度放大效应减小;竖向与水平向加速度峰值比减小;土层高频滤波作用增强,长周期成分放大效应增大;近地表液化土层范围增大,加剧砂土液化危害性。     

近场强震作用下上海地区百米高层建筑地震动反应分析

首先,依据汶川地震中不同震中距基岩地震波记录,选取假设上海近场发生M8.0级强震时的基岩地震波.然后,对上海某百米高层建筑场地进行深覆盖土层地震反应分析,获得该场地在近场强震时的地表波.最后,以此百米高层建筑为例,分析该结构在此地表波作用下的地震动反应特点,从而评估近场强震对上海高层建筑的影响.分析结果表明:结构在双向地震动作用下的反应与单向地震动作用下的反应有明显不同.其中,地震动垂直分量对结构顶层节点竖向反应放大作用显著;地震动水平分量对结构顶层节点三个方向反应都有放大效应;地震动水平分量对结构层间位移角起决定性作用;地震动水平分量对结构底层角柱内力的影响大于地震动垂直分量对其的影响.     

复杂地形条件下地震波的传播研究

利用显式有限元结合透射人工边界,研究了典型山谷地形桥址对地震波传播的影响,探讨了不同入射角度、入射方向及山谷跨度对地震动地形效应的影响规律。结果表明:坡底各位置的地震动的反应相差不大,而坡顶及坡顶后一定范围内的地震动存在不同程度的放大;地震波垂直入射时引起的地表放大效应最大,山谷左右两侧地表放大效应相对相差不大;在计算桥梁结构的地震反应时可以仅考虑地震波垂直入射的情况,其结果是偏安全的;地形放大效应存在明显的方向性;山谷的放大作用和山间跨度密切相关。     

河谷场地地震波传播解析模型及放大效应

从形态上看,自然界存在平坦、凸起和凹陷3种常见的地形及场地条件,而河谷场地是一种常见的凹陷地形,且在河谷场地修建了大量工程(如土石坝、桥梁等)。实际震害调查表明地形及场地条件对地震灾害影响很大。针对河谷场地地震波传播解析模型及放大效应,全面总结了笔者及其课题组长期以来的研究成果。主要包括以下4个方面:(1)提出了近源地形与场地效应的概念,用线源柱面SH波模拟入射地震波,平面波是其远场入射的特例,构造了线源柱面SH波自由场,定义了近源激励下的放大因子,实现了入射波波前弯曲及其地形放大效应,为其它地形和场地引起的近源放大效应研究开启了新的可能。(2)构建了非对称V形河谷地震波传播解析模型,包括亥姆霍兹运动方程、河谷表面自由边界条件及虚拟辅助边界应力与位移连续条件,提出了区域分解与区域匹配分两步走的策略,首先将整个区域分解成3个符合极坐标系的子区域,在子区域中对运动方程进行求解获得相应的波场(含有未知系数),然后将各个子区域的波场在边界进行匹配,利用边界条件求解未知系数,从而获得整个区域的波场解答以及柱面SH波的二维散射规律,揭示了非对称V形河谷的差异放大效应,这将对建在非对称V形河谷上的长大跨度工程有着不可忽视的影响。(3)U形河谷在地球表面是普遍存在的,由于缺少实际地震记录和理论研究,U形河谷的地形放大效应仍然未知。构建了U形河谷解析模型,本质上也就是亥姆霍兹方程的边值问题,并得到了这个问题的波函数级数解,发现了U形河谷谷底对地震波的异常放大现象,改变了学术界以往认为凹陷地形底部地震动一定会衰减的不全面认识,并被用来解释中世纪暖期美国亚利桑那州的大量山体落石与滑坡现象。(4)河谷常有沉积物(覆盖层),覆盖层将进一步加剧地震放大效应。构建了线源柱面SH波半圆形沉积谷解析模型,并给出了其解析级数解,发现覆盖层对地震波有明显的放大效应,且覆盖层阻尼比较小时剧烈放大,这将加剧工程结构的破坏。最后,考虑河谷场地地震放大效应进行河谷两侧边坡地震稳定性分析,及土石坝地震反应分析与坝坡地震稳定性分析,认为河谷场地地震放大效应对边坡工程与土石坝工程抗震分析有着重要的影响。     

地震斜入射下大跨地铁车站动响应分析

为分析地震动斜入射下大跨拱顶地铁车站结构的抗震性能,以沈阳地铁2号线新乐遗址站为研究对象,基于粘-弹性人工边界,同时考虑土-结动力相互作用,采用ANSYS软件对其在SV波作用下的动力响应进行了分析,结果表明:与垂直入射相比,地震动斜入射时的车站结构水平位移峰值将随入射角度增大呈增大趋势,且变化幅度递增;在结构不同位置,弯矩峰值或增大或减小。同时,地震动频谱特性对结构的动力响应影响显著。     

地裂缝场地地震及不均匀沉降双重作用下的框架结构动力响应

以西安地铁二号线沿线近f₆地裂缝处框架结构为原型,基于地裂缝场地50年沉降预测情况,采用ABAQUS有限元软件建立地裂缝场地和上部结构共同作用模型,在不同年限场地沉降基础上施加El Centro波、Tangshan波及上海人工波3种地震波,研究地裂缝场地地表峰值加速度变化规律,对比分析地震及不均匀沉降双重作用下框架结构的层间剪力、层间位移角变化情况。结果表明:下盘场地地表加速度峰值在土体沉降前后随避让距离未出现明显变化,上盘场地地表加速度峰值出现较为明显的减小; 3种地震波作用下沉降前后框架结构的剪力时程曲线基本一致,正负向剪力峰值出现的时刻也近似吻合; 上下盘结构层间位移角变化规律相似,均随避让距离的增大而减小,距地裂缝越近,结构破坏越严重; 下盘结构最大层间位移角受不均匀沉降影响较小,最大变化幅度不足14%,上盘结构受影响较大,最大变化幅度超过50%,其中上海人工波作用下变化幅度最大,为73%,Tangshan波次之,为70%,El Centro波最小,为63%; 对于考虑不均匀沉降的地裂缝场地,框架结构抗震设计时应对水平地震影响系数最大值α_max进行调整,以确保结构的抗震安全性。     

软硬相间地基中地铁隧道P波斜入射下的动力响应

以地处软硬相间地基中的地铁隧道为研究对象,采用地震动力仿真模拟方法,建立了能同时考虑多点激励、土-结构动力相互作用的地基-隧道的整体计算模型,系统分析了地震P波斜入射作用下穿越软硬相间地基中地铁隧道的动力响应规律。结果表明:地震波的入射角度对隧道的响应影响较大,传统的考虑地震波垂直入射的输入方法显现出一定的不安全性;软土区宽度的增加导致隧道的动力响应有明显的加强,对结构抗震不利;隧道衬砌混凝土等级的提高将使隧道结构的位移及加速度有所减小,但是弯矩增大明显,因此通过增大衬砌混凝土的等级提高隧道结构的抗震性效果并不好,反而使衬砌结构的受力变大。     

顶板加腋式大跨无柱地铁车站地震响应研究

广州地铁11号线将修建多座顶板加腋式大跨无柱地铁车站,为明确该地铁车站结构的地震响应特性,采用非线性地震响应数值模拟方法,研究了顶板加腋式大跨无柱地铁车站在3种地震波作用下的响应特性。研究表明:车站抗震的薄弱部位主要分布在顶板、中板、底板三者与侧墙的连接处以及底板跨中,且各构件之间的刚度差影响构件的破损状态;主频率与土体相近的Kobe波和El-Centro波对车站的破坏力度最大,薄弱部位损伤严重,而广州人工波对车站的破坏力度较小,大震下仅在薄弱部位有局部损伤。顶板加腋后会使腋角部位容易受到损坏而形成"塑性铰",从而使得沿侧墙高度的相对水平位移曲线在该位置出现拐点。根据车站结构的损伤云图及相对水平位移曲线,11m站台宽度和13m站台宽度的地震响应差别不大,地铁车站结构的跨度对其在地震作用下的响应影响不大。     

地震波入射角对盆地地震反应影响的数值分析

利用二维时域非线性场地地震反应分析程序,针对不同坡角的盆地,利用不同峰值、不同卓越频率、不同入射角度的Ricker波作为输入基岩的SH波,研究地震波入射角、卓越频率以及盆地坡角对盆地地表地震反应的影响,研究表明:盆地地表加速度峰值(PGA)比例系数的最大值不一定出现在地震波垂直入射时,而大致在5°~25°之间,按垂直入射得出的计算结果在某些部位可能偏于不安全,在场地地震安全性评价工作中应适当考虑地震波入射角对场地地表地震反应的影响,综合确定场地地震动参数;同时,随着地震波入射角的增大,加速度反应谱峰值有减小的趋势;入射地震波卓越频率越大,对盆地地表加速度峰值有影响的地震波入射角变化范围越小;随着入射地震波卓越频率的增大,同一测点的加速度反应谱曲线逐渐向左"走移";盆地坡角对盆地地表加速度峰值分布模式有重要的影响,当盆地坡角较小时,盆地边缘处的地震反应最为强烈,而盆地中部地表的地震反应相对较弱,随着盆地坡角的增大,反应强烈位置逐渐远离盆地边缘向中部转移。     

弹性介质面波地脉动单点谱比法研究

应用概率统计方法,采用弹性成层介质模型,导出地下体波斜入射成层介质,在自由表面形成面波地脉动的水平分量与竖向分量谱比表达式。然后,通过大量模型计算,论证体波斜入射单层覆盖半空间形成面波地脉动水平分量与竖向分量谱比特性与场地传递函数间的关系。结果表明:利用地脉动单点谱比法分析面波为主要成分地脉动时,不能求出场地放大因子;当覆盖层与下伏基岩的S波阻抗比小于2时,也不能得到场地卓越频率;当阻抗比大于2时,可近似得到场地卓越频率。文中给出了一个场地基阶卓越频率fs与基阶瑞利波峰值卓越频率fR的计算公式:fS=0.8fR+0.06。