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。     

不同SV波输入方向下山岭隧道的地震响应分析

首先,针对均匀半空间的三维模型,推导了地震波SV波输入下等效节点力的求解公式,建立了SV波的三维倾斜输入方法。通过与其他数值解对比,验证了输入方法的准确性。与以往建立的SV波输入方法只能相对三维模型的某一平面内改变输入方向相比,所建立的方法可在三维空间内任意地改变输入方向。最终,基于建立的输入方法,模拟了不同SV波输入方向下某长大隧道洞身段的地震响应规律。研究了SV波入射方向对隧道衬砌的塑性变形、轴向拉伸变形、轴向剪切变形、横截面出平面变形和横截面平面内变形的影响。通过数值模拟分析发现SV波输入角度对长大隧道洞身段的地震响应具有较大影响,在实际地震响应分析中应考虑SV波的入射方向。     

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。     

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。     

水平层状饱和场地地震响应分析的等效线性化方法

采用饱和土层和半空间精确的动力刚度矩阵,建立了求解P波、SV波斜入射情况下水平层状饱和场地地震响应的一维等效线性化分析方法。将饱和场地退化至干土场地进行方法验证,并将该文结果与二维有限元程序FLUSH结果进行对比,验证了该文方法的准确性。以天津市区某典型饱和场地为例,分别比较了P波和SV波入射情况下饱和场地线性、非线性地震响应之间的差别,以及饱和场地、干土场地非线性地震响应之间的差别,并讨论了入射角度和透水条件等因素对地面运动加速度峰值的影响,总结了饱和场地非线性地震响应的一些基本规律。     

SV波斜入射形成的动应力路径及影响因素分析

动应力路径是研究场地地震动力响应的关键。基于波动理论,推导了半无限弹性空间中任一深度处由SV波斜入射产生的动应力。在采用较大土体刚度参数,且SV波为垂直入射特例时,该方法与土动力学估算地震动应力的常规简化方法结果一致。揭示了SV波斜入射下形成的动应力路径特征,从数学上证明了SV波斜入射产生的动应力在双剪应力分量(偏差正应力和水平剪应力)组成的平面中形成斜椭圆形,并进行了参数敏感性分析,表明入射角、泊松比和单位波长深度是影响应力路径的根本因素,为进一步研究斜入射地震波作用下场地动力响应奠定了理论基础。     

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。     

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。     

近断层P波斜入射下沥青混凝土心墙坝响应分析

近断层地震动的断层距一般在20 km以内，此范围内的地震波由于在不同岩层介质中的反射和透射次数远小于远断层地震动，到达地表时一般不满足垂直入射假定。关于沥青混凝土心墙坝抗震研究目前少有考虑近断层地震动斜输入的影响。选择合适的近断层脉冲型地震动记录，推导了P波斜入射时二维地基侧面和底面边界完整波场分解、叠加方案下的等效节点力公式，通过近断层P波波动斜输入模拟沥青混凝土心墙坝遭受近场地震波作用过程，分析了近断层P波脉冲特性和输入角度对沥青混凝土心墙加速度、应力、曲率和坝体永久变形的影响规律。结果表明，地震波斜入射下心墙和坝体响应与垂直入射相比存在明显差异，近断层地震动脉冲特性亦对各响应影响显著。     

SV波斜入射下河谷地形地震动分布特征分析

基于黏弹性边界结合等效荷载的输入方法,实现了平面SV波斜入射的地震动输入。研究了SV波入射角度和河谷斜坡坡度对河谷场地地震动放大系数分布特征的影响。结果表明:地震波入射角度和斜坡坡度越大,斜坡坡面以及坡顶平台一定范围内的地震动放大系数越大,坡顶平台的影响宽度也越大;地震波从左侧倾斜入射时,河谷两岸地震动放大系数呈不对称形式分布,且入射角度越大,河谷左岸x分量的地震动放大系数越大,河谷右岸z分量的地震动放大系数越大,不对称现象越明显;以不同角度入射时,坡顶处地震动放大系数和坡顶平台影响区域均随坡度的增大呈线性增大趋势;入射角度与斜坡坡度越大,坡顶处水平加速度反应谱越大,反应谱峰值有向右偏移的趋势。     

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HaskellThomson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qP1波入射时的场地影响更明显。     

SV波斜入射不同自由场构建方法下水电站地面厂房地震响应研究

针对目前近断层地震动少有考虑斜入射以及存在不同自由场构建方法的问题,研究了不同自由场构建方法的精度及其对水电站地面厂房地震响应的影响。将总波场分解为内行场和外行场,基于波场叠加原理分析了地基各边界面上的3种自由场,推导了与各边界面自由场对应的等效节点荷载计算公式,并结合边界条件实现了平面SV波斜入射输入。分析了3种斜入射下整个地基的自由场及其相对于解析解的计算精度,不考虑地基底部和右侧边界外行场时,计算误差较大;考虑地基底部边界和右侧边界外行场时计算误差很小,最大误差仅为-3.8%。研究了3种自由场构建方法下脉冲型和非脉冲地震动对水电站厂房地震响应的影响。结果表明:不考虑地基底边界和右侧边界外行场时,厂房总输入能和损伤耗散能有较大增加,导致厂房下部尾水管结构出现大范围的损伤破坏,并且各项能量占总输入能的比重发生明显变化;在相同自由场构建方法下,脉冲型地震动对厂房的破坏能力更强,因此近断层区域内厂房的抗震设计应该引起重视。     

成层介质中平面内自由波场的一维化时域算法

提出了一种弹性水平成层半空间中平面内波动斜入射时自由波场时域计算的一维化有限元方法。首先,基于弹性波在斜入射情形下的传播特点对计算区域进行自动虚拟网格划分。然后将集中质量有限元法和中心差分法相结合建立节点的二维运动方程组,并根据采用的离散化准则和显式有限元法的特点将其转化为一维方程组。求解此方程组,即得到自由场中竖向一列节点的运动。最后根据行波的传播规律得到全部自由波场。以P波为例给出了理论分析和数值算例。结果表明,该方法不仅简单实用,而且具有较高的精度和良好的稳定性。     

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。     

分析层状土介质中群桩对任意入射地震波响应的半解析法

本文舍弃桩基动力分析中的土介质平面应变假定，采用薄层内位移线性变化条件下的动力Ｇｒｅｅｎ函数形成桩－土－桩动力相互作用所需的土介质柔度矩阵，用梁单元模拟桩的运动，以地震波入射为初始运动输入，建立了适用于群桩基础对任意入射地震波响应的半解析分析模型，研究了层状土介质中群桩对不同角度入射ＳＨ、ＳＶ和Ｐ波的动力响应。结果表明，本文提供的方法不仅可以避免平面应变解的低频误差，具有较高精度，而且计算工作量较少。     

层状饱和半空间中沉积谷地对斜入射平面P1波的三维散射

在作者给出层状饱和场地三维精确动力刚度矩阵和层状饱和半空间中移动荷载动力格林函数基础上,采用间接边界元方法在频域内求解了层状流体饱和场地中沉积谷地对斜入射平面P1波的三维散射问题。该方法的特点在于虚拟移动均布荷载和斜线孔隙水压可以直接施加在沉积与层状饱和半空间交界面而不存在奇异性。该文通过与已有结果的比较验证了方法的正确性,并以均匀饱和半空间和弹性基岩上单一饱和土层中沉积谷地为例进行了数值计算分析。研究表明,沉积谷地对平面P1波的三维散射与二维散射之间存在本质差别,入射角度、孔隙率、饱和土层刚度和饱和土层厚度等参数对沉积谷地附近动力响应有着显著影响。     

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。     

地震波斜入射下考虑场地非线性、地形效应和土结动力相互作用的大跨连续刚构桥地震响应分析

基于多源叠加粘弹性人工边界和等效线性化理论,建立了SV波斜入射下考虑场地非线性、地形效应和土-结构动力相互作用的大跨结构动力响应分析计算方法。该文首先给出了SV波斜入射下非线性场地的自由场等效线性化求解方法,然后利用ANSYS有限元软件对一座5跨连续刚构桥和场地建立了有限元模型,计算了考虑场地非线性情况下不同入射角、不同地形和不同场地刚度工况下连续刚构桥的动力响应。计算结果表明:桥墩轴力随着入射角的增大而增大,剪力则随着入射角的增大而减小;局部地形不规则程度对桥梁结构内力放大效应有所不同,地形变化越剧烈,放大效应越明显;土体刚度对考虑土-结构动力相互作用的桥梁结构动力响应有较大影响,土体越软,土-结构动力相互作用效应越明显。     

Time‐domain soil–structure interaction analysis in two‐dimensional medium based on analytical frequency‐dependent infinite elements

A direct method for soil–structure interaction analysis in two‐dimensional medium is presented in time domain, which is based on the transformation of the analytical frequency‐dependent dynamic stiffness matrix. The present dynamic stiffness matrix for the far‐field region is constructed by assembling stiffness matrices of the analytical frequency‐dependent dynamic infinite elements, so that the equation of motion can be analytically transformed into the time‐domain equation. An efficient procedure is devised to evaluate the dynamic responses in time domain. Verification of the present formulation is carried out by comparing the compliances for a strip foundation on a homogeneous and layered half‐spaces with those obtained by other methods. Numerical analyses are also carried out for the transient responses of an elastic block and tunnel in a homogeneous and a layered half‐space. The comparisons with those by other approaches indicate that the proposed time‐domain method for soil–structure interaction analysis gives good solutions. Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Ltd.