地震断层作用下埋地管线壳有限元分析的等效边界方法

壳有限元方法是目前较先进的分析地震活动断层作用下埋地管线反应的方法 ,但是由于受断层错动影响的管道一般较长 ,因此该方法需要较大的计算资源 .本文提出一种等效边界方法 ,可以克服现有壳有限元方法的缺点 .埋地管线在地震断层作用下的大变形反应往往只发生在断层附近 ,而离断层较远处管段的变形反应相对较小 .本文从理论上得出一个等效边界 ,以非线性弹簧的形式应用到壳单元分析模型的两端 ,替代模型以外管段的影响 .这样只需对感兴趣的发生大变形的管段进行壳单元建模型 ,从而解决了现有的壳有限元方法需要大量计算机时和资源的缺点 .与现有的壳模型固定边界方法进行比较 ,验证了等效边界方法的合理性和有效性 .     

钢质埋地管线在不同场地走滑断层下的可靠性研究

断层是造成埋地管线破坏的最重要原因。简化埋地管线小变形段为等效边界弹簧,对管材为三折线本构模型的等效边界弹簧本构方程进行了推导。基于ANSYS软件的有限元概率设计系统,考虑了管线外径、壁厚、内压、埋深及走滑断层位错量等随机输入变量,运用蒙特卡罗方法进行了软土、中等土、硬土3种场地走滑断层位错作用下钢质埋地管线的可靠性分析。研究发现:管线应变和失效概率随场地硬度提高显著增大,而应力增大不明显;三种场地走滑断层位错作用下,对应变的敏感性从高到底依次为走滑断层位错量、壁厚、埋深、内压。研究完善和丰富了该方面理论,为埋地管线抗震设计提供了一些合理且经济的建议。     

地震断层作用下的埋地管道等效分析模型

地震作用下,活动断层附近的埋地管道易发生强度屈服、局部屈曲或整体失稳等形式的破坏,建立准确、高效的埋地管道在断层作用下的计算模型,对管道的抗震设计和震后安全状态评估具有重要的实用价值。本文采用非线性弹簧模拟远离断层处埋地管道的反应,基于管土之间小变形段管道处于强化阶段,提出一种改进的管土等效分析模型,进一步减小了管土之间大变形段的分析长度,从而提高了有限元分析效率。该模型采用ALA推荐的方法计算管土间的滑动摩擦力,可以考虑土体种类的影响;用Kennedy方法确定管道的计算长度。通过与精确模型比较,验证了管土等效模型的合理性和有效性。     

川滇地区应力场演化与强震间相互作用的三维有限元模拟

针对川滇地区，在大量搜集、总结前人资料和结果的基础上，建立了包括上地壳、下地壳(两层)、上地幔等4层结构的三维有限元模型. 通过反复调试，确定了其边界条件，并且计算了川滇地区背景应力场、断层蠕动产生的应力场和强震触发的应力场，以及它们的动态变化. 结果表明:后续地震大多发生在前面地震引发的库仑破裂应力正值区，前一地震对后续地震有一定的触发作用，强震是在较高的应力背景下成组发生的. 这对判断、识别地震异常，提高地震预测水平有着很大的意义.      

跨断层隔震管道管端与土体相互作用分析

断层错动是造成埋地管道破坏的重要因素之一,因此,跨断层埋地管道在断层错动下的破坏机制、模型设计与参数分析和管道抗断层措施一直是生命线工程的前沿问题。对跨断层管道内力分析取得的成果较多,比较经典的是Newm ark-Hall方法、Kennedy方法和王汝梁方法,后来又出现基于壳模型的有限元分析方法。现有的管道抗断层措施具有其优点的同时亦有其不足。本文基于壳模型的有限元动力数值模拟,对一种管道跨断层隔震措施进一步研究,考虑管端与土体相互作用计算隔震管段的断层错动响应。计算结果表明拉应变容易在土中的管段传递,相比较而言,压应变不容易在土中的管段传递;最大拉应变降低比较多,最大压应变降低比较少。根据分析结果,对跨断层隔震管段边界条件的选取提出建议。     

跨越断层埋地管线地震反应数值分析

跨越断层埋地管线在地震中的破坏是非常严重的,地震本身和管土相互作用体系中都存在很多不确定性因素,所以管线在断层运动过程中反应比较复杂。本文利用有限元理论和数值模拟手段,建立了管土作用模型,采用非线性接触问题研究方法详细地分析了管线由断层运动而产生的反应,对影响管线的各种因素进行了分析,包括位错量、跨越角度、断层运动形式、埋设深度、初始轴向力、断层裂缝宽度、填覆土质和管径。通过研究,得到一些初步结论。     

采用等效弹簧边界分析埋地管线在沉陷情况下的反应

场地的不均匀沉陷是导致埋地管线破坏重要原因之一.到目前为止,国内外对沉陷区埋地管线的反应分析甚少.为了真实地分析管线在沉陷情况下的反应,通过引入一个非线性弹簧,作为分析埋地管线在沉陷情况下反应的边界条件,以代替远处直线段管线的变形,将管线模拟成四节点薄壳单元,土介质简化为弹塑性弹簧,采用线性位移加载来模拟土体的沉陷作用,对有限元模型进行计算分析.通过实例计算,得出了管线的控制力,找出了管线的控制截面,为沉陷区埋地管线的设计提供一定的理论依据.     

穿越走滑断层海底管道局部屈曲研究及应变响应预测

海洋地震频繁且海底土体环境复杂,当地震导致断层土体发生永久变形后,穿越断层的海底埋地管道也将受迫发生变形。为确定变形后的管道能否正常工作,需根据实际工况对其进行应变响应预测。首先通过有限元计算软件ABAQUS建立管道与走滑断层的三维实体模型,模拟管-土间的接触作用并通过等效边界方法修正模型,得到管道局部屈曲破坏形式及应变分布情况。然后,通过调整有限元模型参数对断层交角、管道工作内压、管道径厚比对管道极限塑性应变的影响进行敏感性分析,定性分析不同敏感性因素对穿越走滑断层海底管道应变响应的影响。最后,在数值模拟数据的基础上通过MATLAB软件利用基于遗传算法优化的BP神经网络实现对管道应变响应的精确预测。结果表明:穿越走滑断层管道在发生局部屈曲时,可根据轴向压缩应变突变现象确定管道局部屈曲时对应的断层位移,并且断层交角、管道工作内压和管道径厚比都会对跨断层管道应变响应产生影响。     

1997年伊朗中东部加恩-比尔兼德(GheanBirjiand)Zirkuh余震序列分析

分析了由当地地震台网记录的1997年伊朗加恩-比尔兼德(Ghean-Birjiand)Zirkuh余震序列. 基于余震的分布，可以判断出一垂直的北西南东走向的断层，其长度90 km. 加恩比尔兼德Zirkun地震的断层破裂明显地表现为起始于震中区，单方向地向东南方向传播. 沿断层的余震分布剖面显示，余震分布的深度范围可达20 km. 表明地震活动发生在上地壳，这一地区地震发生层的厚度20 km. 余震的分布表明，在主震的震源过程中块体西部是断层的上盘. 余震的时空分布表现出两个显著的空区，与地表断裂中所见到的间断一致. 可以得出这样的结论: 在主震和余震过程中第一个空区起着障碍体的作用，而第二个空区较深的部位在主震或余震的过程中发生了破裂. 地震后的前10天, 其余震的时间频次衰减图象遵循修正的大森关系，而此后的余震序列非常好地遵循大森模型.      

穿越逆冲断层的埋地管道非线性反应分析

穿越逆冲断层的埋地管道在地震作用下,容易发生局部屈曲或整体失稳等形式的破坏,研究逆冲断层作用下的埋地管道地震反应规律,对管道抗震设计及施工等具有重要的意义。本文将埋地管线及周围土体从半无限地球介质中取出,分别以空间薄壳单元和实体单元进行离散,采用非线性接触力学方法模拟管、土之间的滑移、分离及闭合现象;采用线性位移加载模拟断层的错动,考虑了系统初始应力状态的影响,对土体未开裂前的管土相互作用系统进行了拟静力数值分析;分析了位错量、土体刚度、埋设深度、径厚比及跨越角度对埋地管道反应的影响,得出了一些有益的结论。     

跨越断层埋地管线地震反应研究述评

本文论述了跨越断层埋地管线地震反应研究工作概况,包括理论研究和实验研究的进展,并介绍了不同情况下采用的研究方法和建立的相应的研究模型,通过对数据结果进行整理分析,得出跨越断层埋地管线地震反应规律。同时,本文还对埋地管线研究中的一些重要参数对研究结果的影响作了详尽的阐述,提出了需进一步研究的问题和今后可能的研究发展方向。     

跨断层水泥管试验的有限元分析

在考虑管道的材料非线性和几何非线性、管土相互作用的非线性和管道接口非线性的基础上,建立了由管体梁单元、三向土弹簧单元和接口单元组成的埋地非连续管道在断层位移作用下的有限元模型,并以美国密歇根大学Junhee等(2010)所做的跨断层水泥管试验为原型进行了模拟分析。有限元结果给出的水泥管最终变形、接口转角、接口位移与实验结果基本一致,表明本文提出的跨断层埋地非连续管道抗震计算的有限元分析方法具有一定的合理性。有限元结果和试验结果都表明,在逆冲断层作用下,水泥管的破坏主要是因为在管道接口处的轴向压力和弯矩的耦合作用,在断层附近的管道接口承受了较大的转动和压缩位移。本文所提出的分析方法可推广到埋地非连续管道在其它永久地面变形作用下的有限元分析。     

考虑预应力影响的壳-弹簧模型及其在预制地下管廊纵向抗震分析中的应用

利用ABAQUS有限元软件,采用壳单元模拟管廊结构,非线性地基弹簧单元模拟土-结构相互作用,非线性弹簧单元模拟带止水橡胶的承插式接头和预应力钢绞线,提出了一种考虑预应力影响的预制地下管廊纵向抗震分析的壳-弹簧有限元模型,并基于反应位移法分析了某拟建预制地下双舱管廊在地震波作用下的内力和变形。研究表明:文中壳-弹簧模型充分反映了预制地下管廊纵向接头构造及初始装配预应力,以及地震作用下的结构真实变形及内力分布,适用于预制地下管廊的纵向抗震分析。     

受沉陷作用埋地管道破坏判别方法

大地地震震害经验表明，场地的不均匀沉陷是导致埋地管线破坏地重要原因之一。提出一个适用的管道破坏判别方法十分重要本文提出了一个新的方法，用以分析受沉的埋地管道的反应，该方法发迹了沉陷区和非沉陷区都用弹性地基梁的分析途径，在沉陷区考虑了管道几何大变形，克服了现有方法公适用于无限远处发生最大沉陷的缺陷，适用于任何沉陷参数的情况。     

跨越断层埋地管道屈曲分析

考虑埋地管道与土介质的相互作用，分析了管道作为薄壳结构的断层位错反应。管道模型化为四结点薄壳单元结构，土介质简化为弹塑性弹簧，建立了管土相互作用的有限元分析模型。计算中，考虑了管道与土介质的材料非线性，管道几何参数，断层类型及破碎带宽，断层滑移角，埋深，内压，温度应力等因素的影响，根据计算结果描绘出管道控制点位移，应力及应变时空分布曲线；比较不同参数下管道的反应特征，总结管道反应的变化规律。最终得到结论：在大位移断层运动作用下，埋地管道反应存在明显的非线性效应，断层类型，管道埋深等因素不能忽略。     

考虑土-结构相互作用的高层建筑抗震分析

本文采用通用有限元程序ANSYS,针对上海地区一例土-箱基-高层建筑结构进行了三维有限元分析,计算中土体的本构模型采用等效线性模型,利用粘一弹性人工边界作为土体的侧向边界,并研究了土体边界位置、土性、基础埋深、基础形式以及上部结构刚度等参数对动力相互作用体系动力特性及地震反应的影响。     

利用重力资料反演京津唐张地区震质中

流动重力观测结果显示，地震孕育过程中重力变化最大处往往不与震中重合，美国科学家J.T.Kuo（郭宗汾）提出了孕震体质量变化中心震质源(hypocentroid)和其在地表的投影震质中(epicentroid)的概念．本文采用球、椭球和圆柱体等3种旋转体模型模拟孕震体，分别计算孕震体均匀膨胀引起的表面重力变化模型，并利用最小二乘法对1981～2000年发生在京津唐张测网内16次M>4.0地震进行震质中迭代反演. 计算精度表明，圆柱体模型为三者中的最隹模型．研究了震中、震质中与断层之间的位置关系，发现京津唐张地区M4~5地震震质中与震中的距离在0~40 km之间，震中一般发生在断层末端，或断层交汇处；而震质中大都发生在断层间的块体内，且成丛分布．这意味着区域内存在小范围的构造——地震孵化区，一次次地震在孵化区内孵化，但却在其周围发生．其间，断层的存在起着重要的控制作用．      

1966年邢台7.2级地震的动力学模型

根据较新的深地震反射资料，构造应力场和震机制等资料，建立了１９６６年邢台７．２级地震孕震区的平面和剖面的有限元模型，对平面和剖面模型在ＥＷ向水平外压力下的最大剪应力分布进行了计算，剪应力相对集中的部位和大震震源位置比较一致，提出了邢台７．２级地震的动力学模型，认为地震的孕育和发生可能需要深，浅部断层，壳内低速层和ＥＷ向水平压力的共同作用，虽然由震源机制和地震宏观烈度分布等资料可指出有具体的发震断层     

土-结构动力相互作用问题分析中地震动输入的一种新方法

为实现地震作用下土-结构动力相互作用问题的有限元模拟,需要在人工边界上完成地震动的有效输入,目前工程和科研中常用的地震动输入方法有两种:波动输入方法和振动输入方法。波动输入方法的模拟精度高,但实施上相对复杂且耗时,而振动输入方法处理简单,但模拟精度较低。针对应力型人工边界提出一种在人工边界上实现地震动输入的新方法,该方法通过对土-结构有限元模型中由人工边界节点及相邻节点组成的局部子结构施加自由波场位移时程并进行动力分析,从而直接获得可实现地震波动有效输入的等效地震荷载,然后在土-结构有限元模型的人工边界节点上施加等效输入地震荷载并完成动力计算,由此完成土-结构动力相互作用问题的地震动输入和地震反应计算。与原有波动输入方法相比,新方法避免了原方法需分别计算人工边界上自由场应力和由引入人工边界条件引起的附加力,以及需要根据不同人工边界面的外法线方向确定荷载作用方向等较为复杂的处理过程,具有等效地震荷载计算简便、地震动输入过程更易于实施的特点。采用均匀弹性半空间和成层弹性半空间一维地震反应算例初步验证新方法的正确性和可靠性。     

利用流固耦合模型模拟地震和海啸全过程

海底地震引起的海啸过程在力学上是一个流固耦合问题。地震引起的海底变形会影响流体的运动,流体运动会影响地震引起的海底变形。海啸的数值模拟,通常采用浅水波控制方程,把地震引起的海底变形作为海啸波动的边界条件或初始条件,不考虑它们之间的相互作用。本文采用势流体的流固耦合有限元方法模拟了地震和海啸的全过程。地震过程的模拟与地震位错模型不同,在位错模型中,断层的位错是事先指定的;而在本文中,首先形成自重作用下的初始应力场,然后通过断层材料的突然软化引起的错动,模拟地震震源的动力学过程。模拟结果显示,在海面除了可以看到大振幅的海啸波外,还可以发现体波震相和面波震相。在600 km的海面震中距上,它们要比海啸波早到48分钟,在此处面波的最大平均振幅可达0.55 m,是相同震中距海底面波最大平均振幅的2倍。因此,海啸预警信息在海面可以比在地表更早地得到。海啸波的传播速度在水深3 km的开阔海面是175.8 m/s,它要比理想长波理论预测的大,其平均振幅为2 m,波长可达32 km. 到达大陆架后其速度、波长都减小,在岸边可以激起10 m高的巨浪,水平方向深入陆地达53 m。震中附近海面和地震断层上的最大垂直加速度分别为5.9 m/s2和16.3 m/s2,后者是前者的2.8倍。由此看来,海水是很好的减震器。海啸波的加速度到达岸边会衰减10倍。与加速度不同,海面震中处的振动速度为3.2 m/s, 是海底震源处的1.4倍。震源处的最大位移小于震中海面的最大位移, 其差就是海啸波源的振幅。值得注意的是,海底地震的最大位错在震后23 s达到,不是发生在断层滑动的开始。