基于黏弹性边界的地下隧道非线性地震响应分析模型

采用黏弹性边界方法和地震动输入等效节点力方法模拟半无限场地的地震激励,结合通用有限元软件ANSYS,建立地下隧道地震响应分析模型。模型采用等效线性化方法模拟土体非线性,采用瑞利阻尼和材料阻尼相结合方法模拟土体阻尼,分别考虑衬砌中混凝土和钢筋的非线性,以及衬砌和土体之间的接触。通过与文献比较,对整体模型的精度进行验证,并以天津市深厚覆盖层场地中某地铁双隧道为例进行非线性地震响应分析。研究表明,隧道间距较小时隧道之间存在显著相互作用,非线性地震动应力显著增大。本文模型可用于地下隧道一类结构的抗震验算分析。     

基于黏弹性边界的地下隧道非线性地震响应分析模型

采用黏弹性边界方法和地震动输入等效节点力方法模拟半无限场地的地震激励,结合通用有限元软件ANSYS,建立地下隧道地震响应分析模型。模型采用等效线性化方法模拟土体非线性,采用瑞利阻尼和材料阻尼相结合方法模拟土体阻尼,分别考虑衬砌中混凝土和钢筋的非线性,以及衬砌和土体之间的接触。通过与文献比较,对整体模型的精度进行验证,并以天津市深厚覆盖层场地中某地铁双隧道为例进行非线性地震响应分析。研究表明,隧道间距较小时隧道之间存在显著相互作用,非线性地震动应力显著增大。本文模型可用于地下隧道一类结构的抗震验算分析。     

三维不规则地形河谷场地地震响应分析方法研究

本文提出了不规则地形地震响应分析的自由场计算方法,并以小湾拱坝场址作为三维场地模型,比较了三维不规则场地侧边界自由场的精确解和近似解;同时,采用大型有限元软件Ansys/Ls-Dyna计算了自由场对场地内部场点地震响应的影响.计算结果表明,三维场地模型的二维自由场近似解与精确解有很大差异,其结果对三维场地内部场点地震响应影响显著,因此,要准确求解三维不规则地形的地震响应必须采用真实的二维侧边界模型.     

考虑土体非线性及倾角影响的盆地地震响应研究

基于二维沉积盆地模型,采用D-P弹塑性模型模拟盆地的非线性特征。利用显式有限元与黏弹性边界结合的方法,通过改变盆地边缘倾角,在时域和频域内分析盆地地表的地震动响应,对比线性与非线性盆地地震反应的差异。结果表明:(1)土体非线性对整个盆地范围内地震动的影响都较显著。考虑非线性时地震动放大系数明显降低,降低幅度在30%~50%。同时,考虑非线性和倾角影响时最强烈放大区域的范围和位置变化,且很小倾角下的分布特征显著不同。(2)两分量的放大系数都有随边缘倾角的增大而增强的趋势,但均是盆地边缘区域受非线性的影响最为显著。此外,真实地震波输入下显著放大区域的范围及线性与非线性结果的差异程度相对更大。(3)考虑非线性时,对于不同频率地震波的放大系数差别明显,但都表现出从低频到高频谱比分布越来越复杂的现象,同时盆地倾角的影响程度随频率的增大更加明显。(4)考虑土体非线性并未改变地震波传播的总体特征,但各震相强度相对降低。     

基于有限元方法研究岫岩罗圈里陨石坑地形对地震反应的影响

基于有限元方法对岫岩罗圈里陨石坑地形对地震反应的影响进行了探索。结合文献资料、岩土勘察工作建立了岫岩罗圈里陨石坑二维有限元分析模型。选用粘弹性人工边界和等效节点力输入方法解决了有限元模拟半空间无限域时的边界问题和地震动输入问题。为了突出地形因素的影响,采用弹性材料介质进行数值模拟分析,并与水平场地模型的分析结果进行了对比。数值模拟结果和对比表明:罗圈里陨石坑地形对于陨石坑中部的地震动有显著的放大作用,远高于水平场地模型。此外,盆地中部短周期部分的反应谱也明显高于盆地边缘和水平一维场地模型,这是导致海城地震中盆地中部自振周期较短的单层房屋破坏明显严重的主要原因。     

大型河谷场地地震动特性研究

采用有限差分方法,通过算例研究了大型河谷场地地震动特性分析中的人工边界的选取方法,对比分析了不同人工边界的选取对数值模拟结果的影响,确定了散射场地震反应分析输入边界的地震动输入方法,认为在进行有限差分动力计算时,模型两侧施加自由场边界的模拟效果要优于两侧施加粘性边界的模拟效果;同时,对FLAC计算软件进行二次开发,对2个地形差异较大的河谷场地,采用线性和非线性摩尔-库仑模型进行了地震反应对比分析,研究了河谷场地地震动幅值和频谱特性随地形变化的规律。模拟数据表明,河谷场地谷底处地震动基本无放大作用,地势凸起处放大作用则较为明显;当考虑土体非线性时,随着地震动强度的增加,放大作用逐渐减小;谱分析结果表明,地势凸起处受高频地震动的影响显著,而地势平坦的谷底则受低频地震动的影响显著。     

横向非一致激励下土层地震响应的振动台模型试验研究

针对自由场土体的非线性地震响应问题,采用悬挂式连续体模型箱,开展了横向一致激励和非一致激励下砂土自由场土体的振动台试验。通过试验,研究了不同地震动、不同地震强度作用下自由场土体的地震动反应特性及其变化规律,包括场地土体的动力特性、加速度地震响应、剪应力-剪应变以及土体的沉降。研究结果表明:土体的非线性发展程度不仅与地震动记录有关,还与地震动输入方式、加载等级有关;与一致激励相比,非一致激励下土体运动的不一致性引起了更强的土体结构性变化,频率降低,阻尼比增大,土体的加速度峰值和频谱峰值均有降低,土体的非线性发展相对较快。土体剪应力-剪应变曲线和沉降曲线的变化规律一定程度上也反映了土体的塑性发展情况,所得结论和自由场地震反应宏观现象一致,彼此佐证了结论的合理性。     

考虑多维地震动及重力作用的土层场地地震反应分析模型

合理有效的工程场地自由场分析是开展地下结构地震反应计算、发展地下结构实用抗震分析方法的前提。目前常用的自由场分析方法多局限于单向地震动输入，难以考虑多向地震动共同作用时的非线性耦合效应。鉴于此，提出一种考虑水平和竖向地震动及重力荷载共同作用的土层地震反应分析力学模型，该模型采用捆绑约束条件作为侧面边界条件，采用基于黏性边界的地震动输入方法将输入地震动转化为等效地震荷载，可实现自由场计算中水平和竖向地震动以及重力荷载的同时施加，简化了计算步骤，减少了计算成本。此外，该方法考虑了水平和竖向地震荷载的叠加效应，对于考虑材料非线性及大变形影响的土层场地地震反应分析具有更为良好的计算精度与适用性。     

基于小田原试验场地数据的不同基岩输入模型对预测地震动特征的影响研究

随着强震台网的密布及观测记录的增加,为研究各类局部场地地震反应预测模型的合理性提供了有效的参考依据,也使利用强震记录及场地条件研究地震动特征成为可能。选取场地地质参数资料和地震记录数据齐全的日本小田原（Ashigara Valley）盲测试验场地,通过对比不同地震动输入方式及场地反应分析模型,研究地震动特征,分析现有模型的优劣。基于1990年8月5日M5.1强震事件的地表基岩记录和地下基岩地震记录,采用地下台强震记录直接输入、地表基岩台强震记录减半为基底地震动输入、地表基岩台强震记录反演为基底地震动输入作为3种基岩地震动输入。基于局部场地条件分别建立一维等效线性模型、二维黏弹性模型及二维时域等效线性化模型等工程中常用的场地数值分析模型,进行局部场地地震反应分析,预测该盲测场地的地表地震动特征,并与对应的实测强震记录结果进行对比,分析不同基岩地震动输入方式对预测地震动特征及地表土层反应谱特征的影响,重点分析地震动输入、土体非线性、场地横向不均匀性及几何与非线性特征共同作用等因素对地表地震动特征的影响,以期为地表地震动的合理预测提供参考。     

三维复杂山谷地形SV波垂直输入地震反应分析

本文基于显式有限元法研究了地震波垂直入射时三维复杂山谷地形对地震地面运动的影响,在数值分析中应用了三维化二维的解法和黏弹性人工边界的处理方法,实现了地震波垂直输入下三维复杂场地地震动数值模拟,并验证了该方法的合理性.以四川桃坪地区一山谷地形作为研究对象,基于地表高程数据分别建立了二维和三维场地模型,对比研究表明:在复杂地形情况下考虑二、三维模型时具有明显差异,三维模型能更真实地反映地形变化对地震动的影响,复杂地形条件下有必要考虑三维实际场地模型.本文对边界自由场的处理方法也可用于处理三维复杂场地地震动斜入射问题,为三维复杂地形场地地震效应研究提供参考.     

深厚软土场地中透镜体对上部结构地震响应的影响

工程场地中透镜体对地震动具有重要影响,但目前对该问题的研究比较少,尤其是深厚软土场地中的透镜体问题还鲜有研究。本文采用有限元-间接边界元耦合法,建立非线性土-结构动力相互作用模型,并对方法计算精度进行了验证。论文首先比较了弹性基岩模型和刚性基岩模型的差别,建议采用更接近实际的弹性基岩模型研究深厚软土场地中的透镜体问题。然后在考虑场地土体和透镜体介质非线性的基础上,系统地研究了深厚软土场地中透镜体宽度、厚度和埋深对上部结构地震响应的层间位移角、加速度及基底剪力的影响。研究表明,透镜体的存在可能会明显改变上部结构的动力响应,上部结构的动力响应可能会明显放大。透镜体宽度、厚度和埋深对结构动力响应均有很大影响。     

宽河谷非均匀工程场地非线性地震反应空间变异特征研究

针对宽河谷非均匀工程场地地震动响应的空间差异性,以长江下游宽河谷场地为研究对象,建立了宽河谷非均匀场地非线性地震响应的静、动力耦合有限元分析模型,考虑了行波效应和上覆水压力的影响,分析了场地地表及地层不同深度处地震反应空间变异特征。结果表明：场地地表不同位置处地震动参数差异明显,其变化规律与地形起伏相一致,且在多级边坡坡顶、地形起伏较大处地震动参数产生突变,揭示了宽河谷非均匀场地地震动响应空间的差异性;场地地表的反应谱表现出“多峰”、“宽周期”等特性。将计算结果与不考虑地形的简化模型计算结果进行对比分析,验证了非均匀宽河谷场地需要充分考虑地形和土层非均匀的必要性。     

埋地管道-场地地震反应振动台试验研究的场地响应

基于多子台台阵系统,北京工业大学于近期开展了多点地震动输入、不同场地条件下埋地管道振动台试验。试验中连续体模型箱固定于3个振动台台面上,相邻台面上的箱体能在水平双方向(纵向、横向)相对运动;3个振动台相互独立,通过分别对3个振动台输入各自的加速度记录实现了多点地震动输入。本文针对其中的横向水平地震激励作用下的场地响应进行研究,分析了一致和非一致地震作用下有无埋地管线时的场地地震响应规律。试验结果表明,非一致激励作用将增大场地土体的相对位移,致使相邻地震动输入点间场地土体受到剪切作用;随着输入地震动强度的增加,场地土体的一阶固有频率持续降低,阻尼比不断增大;非自由场的阻尼比、一阶固有频率等参数略大于自由场。     

评估地震场地响应中土体的非线性行为：KiK-net台网强震数据的统计分析

通过日本KiK-net台网数据库的各种地震记录,研究了土体的非线性行为对场地响应的影响。这个台网由不少于688个地表—井下仪器构成,从这个台网还获得了直到井孔深度的剪切波和压缩波速度剖面的特征。为了通过计算每个场地的地表与井下频谱比来表征土体的线性行为,我们挑选了井下台站地震动峰值加速度（PGA）〈10cm/s2的事件。使用强震动事件（PGA〉50cm/s2）计算的场地响应曲线相对线性表征的变化被认为是由非线性土体行为造成的。为了描述每个事件土体非线性行为对场地响应的影响,我们提出了场地响应曲线相对线性估计的变化（放大或衰减）百分比（PNL ev,非线性百分比）和有关的位移频率（Sh ev）。这些参数被用于估计非线性场地响应显著区别于相应线性场地响应的概率。我们发现,不管何种场地,这个概率即使对低输入地震动峰值加速度（井下传感器的值不小于30cm/s2）也是重要的。这表明,在中强地震动场地响应评估中必须考虑非线性土体行为。此外,对记录了至少两个强震事件（井下PGA〉50cm/s2）的KiK-net台网数据库的54个场地,我们定义了每个场地的表征土体非线性行为对场地响应影响的另外4个参数：（1）地震动峰值加速度阈值（PGA th）,定义为PNL ev高于10%的地震动峰值加速度值;（2）地震动峰值加速度为50cm/s2的特定场地的PNL（PNL site）;（3）地震动峰值加速度为50cm/s2的卓越频率的特定场地移位（Sh site）;（4）在非线性和线性场地响应之间观测到衰减的频率（fNL）。我们观察到在fNL之下的频率,非线性土体行为可增强放大作用。我们发现fNL介于场地响应基频率和卓越共振频率之间,近地表具有V S反差的场地触发低地震动峰值加速度输入阈值的非线性行为。这些结果表明,非线性行为多发生在地表土层中。此外,通过研究地表的地     

含子盆地的二维沉积盆地非线性地震反应分析

在沉积盆地中,由于地表河流和湖泊等的长期沉积作用,容易在盆地内形成新的沉积盆地,称为子盆地。子盆地土体物理性质和周围土体有显著差别,因此子盆地的存在会对整个盆地的地震响应产生显著的影响。本文基于ABAQUS有限元计算平台,以理想二维梯形沉积盆地为例,针对盆地-子盆地这一特殊场地,重点分析了盆地尺寸、盆地-子盆地相对位置、子盆地介质波速和外围盆地倾角等影响因素对盆地-子盆地地震反应的影响。结果表明：子盆地的存在显著影响了盆地内的地震动,子盆地位于盆地中央区域时,对地震动的放大效果最为显著,PGA最大可被放大2倍左右;此外,子盆地介质波速越小,对盆地地震反应的影响最显著,但子盆地介质波速的变化对远离子盆地区域的地震动影响不明显;随外围盆地边缘倾角的增大,子盆地区域PGA幅值随之减小并向左移动,沉积盆地中央区域PGA幅值也随之减小。     

SV波在饱和土体自由表面的反射

基于饱和两相介质弹性波动方程分析SV波在饱和土体自由表面的反射问题,引入波动方程的势函数解答,求解出二维问题中SV波入射情况下饱和土体自由场的位移、速度、加速度和应力响应。在饱和土体自由场响应解析解基础上,建立SV波入射下饱和土体自由场静、动力有限元模型。建模中考虑了如下几方面因素:(1)在不同分析步,对土体单元赋予不同材料本构。通过*model change命令进行单元生死设定,从而实现在初始应力场平衡的静力状态下采用DuncanChang本构模型,而地震波动输入时采用Davidenkov动力本构模型;(2)采用多孔介质黏弹性人工边界条件,在人工边界上分别施加固相和液相介质的弹簧和阻尼来模拟饱和土体中能量的传播;(3)将地震波转化为作用在人工边界上的等效地震荷载,施加到人工边界节点上;(4)土体单元采用4结点平面应变孔压单元(CPE4P)。有限元计算与解析解比较结果表明:SV波在垂直入射和掠入射时,竖向位移响应为零;在45°左右入射时,水平位移响应最大;60°左右入射时,竖向位移响应最大。这些结论与解析解吻合较好,本文模型为建立土-结构动力相互作用模型打下良好的基础。     

地震动非一致性对隧道动力响应的影响分析

针对隧道的抗震安全性,借助有限元软件平台对其地震时程响应进行非线性有限元分析。利用弹性模型考虑混凝土隧道在循环荷载作用下的拉、压应力-应变关系,同时对土体采用MohrCoulomb模型,选用人工边界作为边界条件,以人工合成的多点地震加速度时程作为地震动输入,分别考虑一致输入、行波效应、相干效应及行波加相干效应对隧道的影响。分析结果表明,与一致激励的计算结果相比,非一致地震激励会显著增加隧道结构的内力和位移响应,从而对隧道抗震产生不利影响。研究结论可为长隧道结构的抗震设计和分析提供科学依据。     

修正Matasovic本构模型在ABAQUS软件中的实现

Hashash等(2001)提出了土体的剪切模量和阻尼特性与土层深度相关的修正Matasovic(1993)黏弹性本构模型,本文基于ABAQUS/standard软件的子程序开发平台,编制了该修正Matasovic本构模型的子程序模块。以美国密西西比湾深厚场地为研究对象,选取Loma Prieta和Northridge地震动加速度记录作为基岩输入地震动,通过ABAQUS软件的二维场地非线性地震反应分析,给出了该深厚场地的地表加速度时程、反应谱,并与国际专业软件DEEPSOIL的一维场地非线性反应分析结果作了对比,发现两者的结果差别不大。这表明:采用基于ABAQUS软件开发的修正Matasovic土体黏弹性本构模型进行场地非线性地震反应分析,是可行的。目前工程上广泛使用的等效线性化方法存在一些不足之处,本文方法可以为工程应用提供参考和比较。     

SV波斜入射时双线并行地铁隧道横截面地震响应分析

SV波以大角度斜入射时,场地伴随更大的竖向地震作用,这很可能使得地铁隧道地震响应特点异于小角度斜入射情况。基于粘弹性人工边界理论,采用频域刚度矩阵法计算任意角度斜入射SV波的地震动输入等效节点力,通过ABAQUS有限元软件建立自由场模型,验证了0°、30°、40°和50°斜入射SV波地震动输入的准确性;在此基础上建立任意角度斜入射SV波作用下的地下双线并行圆形地铁隧道地震响应分析数值模型,从场地类别、隧道埋深和双隧道间距等方面分析SV波入射角度对隧道结构横断面地震响应的影响。研究表明:入射角度0°及略大于SV波临界角的入射角度是浅埋圆形地铁隧道结构抗震的最不利角度,尤其对于Ⅱ类场地,若仅在临界角以内研究衬砌结构的地震响应,将显著低估衬砌结构的动力响应;此外,隧道埋深对衬砌动弯矩、动轴力峰值具有显著影响,这种影响与场地类别密切相关;Ⅱ类和Ⅲ类场地中小隧道间距条件下隧道间的动力相互作用对衬砌结构动力响应具有一定的增大效应,而Ⅳ类场地中可忽略隧道间的动力相互作用对衬砌结构动力响应所产生的影响。     

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。