自由曲面单层三角形网格结构抗震性能研究

自由曲面单层空间网格结构作为一种新型结构形式,以其流畅自然的线条、灵活多样的结构形态,广泛应用于各类大型公共建筑中。自由曲面结构通过结构应变能为优化目标,节点坐标为优化变量进行曲面形状优化,以达到较好的静力性能,但优化后曲面的抗震性能,目前还缺乏了解。以自由曲面单层三角形网格结构为例进行结构形态优化研究,通过时程分析法研究优化后自由曲面网格结构在罕遇地震作用下的动力响应,总结其抗震性能。研究结果表明:经过形态优化后网格结构的静力性能得到很大提高;罕遇地震作用下,优化后网格结构最大位移出现位置由中部靠下部位转移到中部靠上部位,且3个方向的最大位移数值均小于优化前的网格结构;网格结构最大等效应力和最大轴向压应力都有一定幅度下降,网格优化和光顺化主要影响的是地震作用下结构的竖向位移,且优化后在El Centro地震波作用下结构最大竖向位移减少近25%,表明形态优化有效提高了自由曲面单层空间网格结构在罕遇地震下的抗震性能。     

钢管混凝土组合桁梁桥近、远场抗震性能

基于对传统预应力混凝土连续刚构桥的优化,提出了钢管混凝土组合桁梁桥结构形式,即上部结构采用矩形钢管混凝土组合桁梁,下部结构采用圆形钢管混凝土格构式桥墩。采用数值分析手段对比研究了传统预应力混凝土连续刚构桥、连续刚构优化桥型及新型钢管混凝土组合桁梁桥在近、远场地震作用下的抗震性能。结果表明:钢管混凝土组合桁梁桥、连续刚构优化桥型抗震性能要明显优于传统混凝土连续刚构桥,且钢管混凝土组合桁梁桥抗震性能更佳,近场地震作用下桥墩弯矩下降达41.9%,剪力下降达66.1%,远场地震作用下桥墩弯矩下降达37.5%,剪力下降达76.4%;相较远场地震,近场地震作用致使结构输入的地震能量大幅增加,相同桥型桥墩位移最大增幅达5.7倍,桥墩弯矩最大增幅达3.5倍;钢管混凝土组合桁梁桥是一种抗震性能优越的桥梁结构形式,可为西部地区装配式钢混组合桥梁的设计选型提供参考。     

型钢混凝土组合结构与钢筋混凝土结构抗震性能对比

本文主要对比型钢混凝土组合结构与钢筋混凝土结构在地震作用下抗震响应对比,通过非线性动力时程分析,得出并绘制能够反映结构抗震性能的层间位移时程曲线、层顶加速度峰值以及结构柱底等效应力峰值等结论;对比分析两种不同结构在地震作用下的抗震响应云图、塑性累积和裂缝发展等响应结果,得出两种结构的异同点,分析型钢混凝土组合结构的受力特点及优势。结果表明,充分利用型钢和混凝土这两种材料性能可有效提高型钢混凝土组合结构的承载力。     

地下综合管廊新型抗震支墩动力学特性研究

为降低地震对城市地下综合管廊内部管道运营安全的影响,设计了两种新型抗震支墩并建立了围岩-管廊传统支墩体系和围岩-管廊抗震支墩体系的动力有限元模型;在地震波作用下,对围岩-管廊支墩体系进行了动力学特性数值模拟分析和时程分析。动力学特性数值模拟分析结果表明:围岩-管廊传统支墩体系和围岩-管廊抗震支墩体系的前10阶固有频率均较低,受地震波影响易产生共振,影响管线的安全;结构体系的固有频率不受内部支墩结构和布置形式的影响,可以根据技术要求改变支墩形式,提高其抗震性能。动力时程分析结果表明:与传统支墩体系相比,抗震支墩A体系中管道的最大应力、最大加速度和最大位移分别降低了62%、45%、52%;抗震支墩B体系中则降低了51%、31%、36%,两种新型抗震支墩的抗震性能均显著优于普通支墩,能有效保障管线在地震作用下的安全性。     

局部周期性应力波作用下地下结构动力响应

通过一种独特的阵列式消能振子构造,可将爆炸冲击波转换为具有初始升压段的地下局部周期性应力波,以降低爆炸冲击波峰值压力及破坏效应。为考虑消能振子作用,在距地下结构一定距离处施加具有初始升压段的不同波长地下局部周期性应力波,得到稳定振动阶段及非稳定振动阶段地下结构各部位加速度、速度、最大主应力及最小主应力的变化规律,结果表明:若将具有初始升压段的地下局部周期性应力波波长控制在一定范围,则可充分利用衍射效应让应力波绕过结构物继续传播,以降低结构动力响应。计算结果可为阵列式消能振子的参数优化设计提供参考。     

风电支撑结构静强度与疲劳可靠性分析

为评估风电支撑结构静强度和疲劳可靠性,利用ANSYS软件建立有限元模型,对风电支撑结构在额定、切出和极限风速三种工况下的静强度可靠性进行数值模拟,分析其在多荷载作用下的最大应力和位移值,确定结构关键点,并应用FTCALC模块对结构关键点进行了疲劳分析。结果表明:风电支撑结构在设定边界条件下的静强度和疲劳性能是可靠的,其两个结构关键点分别位于塔筒一、二级法兰连接处和塔筒底部与基础连接处,且在额定风速工况下的Mises等效应力值最大。     

在强烈地震作用下建筑结构的优化设计

针对第三水准"大震不倒"的抗震设防目标,提出一种在强震作用下建筑结构的优化设计方法,依据"用相同的投资获最好的设计"的设计理念,建立了在强烈地震波的作用下,建筑结构最大的层间相对位移最小化作为优化目标,同时满足体积约束的优化数学模型,并采用动力有限元分析模型和高效的显式动力分析方法进行结构分析获得最大的层间相对位移,采用零阶和一阶优化算法分别求解优化数学模型,在显式动力分析软件ANSYS/LS.DYNA的基础上进行二次开发,实现了一个三维框架结构的抗震优化设计,数值结果表明该方法能获得较高质量的解,经优化设计后建筑结构的抗震性能得到了很大的改善,具有现实的工程意义.     

无梁楼盖地铁车站结构抗震性能研究

为了解无梁楼盖地铁车站结构的抗震性能,基于ABAQUS软件开展三维非线性地震响应的数值模拟,分析了3种地震波不同峰值加速度作用下的反应特性,并与常规车站进行对比。结果表明,无梁楼盖地铁车站于小震时仍保持较好的抗震完整性,但大震下呈现出脆性破坏的特点,地震波的峰值加速度大小是导致车站结构震害程度的关键因素;2种车站结构的震害及加速度响应程度与输入的地震波类型关系密切;车站结构的加速度响应沿车站纵向具有空间效应;中柱对车站的抗震性能贡献不明显,是抗震的薄弱构件,通过改变中柱截面从而改善车站结构的抗震性能作用并不理想。     

连体结构竖向地震作用性能研究

指出双塔连体结构是在两塔楼顶部设置连体而形成的新型建筑结构形式,属于规范规定的复杂高层建筑结构,针对这一结构,采用通用有限元程序ANSYS对原型结构的抗震性能进行数值模拟分析,从而更深入地了解了此类结构在竖向地震作用下的抗震性能。     

侧爆作用下硐室锚杆受力动态响应数值分析

利用数值分析软件LS-DYNA3D, 研究了在侧爆应力波的作用下硐室锚杆支护受力动态响应。数值分析结果表明:通过对比相同比例距离的试验和数值模拟压应力时程曲线,说明数值模拟结果可信;基于不同位置锚杆中间单元轴向应力时程曲线分析,发现迎爆侧受到应力波的作用明显大于背爆侧;迎爆侧侧墙锚杆既受压又受拉,并且锚杆8受压最大;受拉较强部位主要集中在迎爆侧,锚杆7拉应力峰值最大;从锚头到锚端锚杆拉应力峰值和压应力峰值都是先增加再减小,最大压应力峰值偏向锚端,而最大受拉位置与应力波的幅值和波长有关。     

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。     

双层地铁车站的强地震反应分析

采用动力时程分析法对一双层地铁车站进行了地震反应分析.结果表明,地震引起的地基变形是影响地下结构动力反应的决定性因素,结构峰值变形反应与自由场峰值变形反应之间近似存在简单的线性关系.与地上框架结构相比,地下结构的地震变形反应相对较小,但内力反应很大.此外计算结果还显示,相对于设计基本地震加速度,地面与基岩间的水平峰值相对位移（PGRD）对于地下结构抗震分析及设计而言是一种更为合理有效的设计地震动参数.     

可液化场地地铁车站结构地震破坏特性振动台试验研究

模拟大震主、余震地震动作用,开展了石膏模型的三层三跨地铁地下车站结构地震破坏特性的振动台试验,测试与分析了可液化地基土的加速度、振动孔压、地表震陷和模型车站结构的加速度、水平向相对位移、应变、侧墙动土压力反应及其空间效应,再现了喷水冒砂、地表裂缝、震陷及模型车站结构上浮、构件裂缝及局部破损等宏观震害现象。研究结果表明：在主震作用时,地基土液化持续时间长、振动孔压消散趋势不明显,地基土的加速度放大效应降低,液化地基呈现出显著的减震与低频集中效应;余震作用时地基土振动孔压的消散较为明显;模型结构峰值加速度反应沿高度增大,侧墙动土压力反应沿高度呈中间小、两端大的分布模式;模型结构中柱的峰值应变反应最大,且中柱左右两侧的峰值应变与损伤程度沿高度呈S形分布;可液化地基土与模型车站结构的地震反应存在显著的空间效应现象。     

1995年日本阪神地震大开地铁车站震害原因及成灾机理分析研究进展

1995年日本阪神地震中,大开、长田、三宫、上泽和新长田等地铁车站以及区间隧道发生了程度不同的震害,特别是大开地铁车站震害极为严重,是迄今为止人类历史上首次记录到的几乎完全塌毁的大型地下结构震害事例,引起了人们对地下结构抗震问题的关注和重视。围绕大开地铁震害事例,国内外已开展了大量的理论、数值和试验研究工作,对震害机理和破坏模式等进行了深入、系统的解析,深化了对地下结构抗震性能的理解,但由于研究者们各自侧重的角度不同,资料的掌握和分析模型与方法上的差异,仍存在一些认识上的歧义,迄今并未形成一种系统性的共识。本文较为系统地从研究者们所采用的分析方法、分析模型及获得的相应结论等角度,回顾了围绕大开车站震害事例开展的研究工作,总结了地震动、场地特性及结构构造因素等对大开车站震害影响的分析成果,并对进一步深入分析大开车站震害现象以及地下结构抗震应解决的关键问题提出了建议。     

Numerical study on the seismic response of the underground subway station- surrounding soil mass-ground adjacent building system

Ground buildings constructed above metro station have increased very quickly due to the limited land resources in urban areas. In this paper, the seismic response of the Underground subway station-Surrounding soil mass-Ground adjacent buildings (USG) system subjected to various seismic loading is studied through numerical analysis. The numerical model is established in terms of the calculation domain, boundary condition, and contact property between soil and structure based on the real project. The reciprocal influence between subway station and ground adjacent building, and their effects on the dynamic characteristics of surrounding soil mass are also investigated. Through the numerical study, it is found that the impact of underground structure on the dynamic characteristics of the surrounding soil mass depends on its own dimension, and the presence of underground structure has certain impact on the seismic response of ground adjacent building. Due to the presence of underground structure and ground adjacent building, the vertical acceleration generated by the USG system cannot be ignored. The outcomes of this study can provide references for seismic design of structures in the USG system.     

地裂缝场地地铁车站动力响应振动台试验研究

地震和地裂缝耦合作用严重威胁着地铁工程的安全.通过开展地裂缝场地(穿越地裂缝)地铁车站结构模型的振动台试验,分析了地震作用下地裂缝场地土的加速度反应、裂缝发展和车站的加速度、应变等动力反应规律.试验结果表明:模型土在临近地裂缝的一定范围内地震响应较大,且距地裂缝相同距离处,上盘的加速度响应整体上大于下盘;地裂缝场地地铁...     

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。     

土–地下连续墙–复杂异跨地铁车站结构动力相互作用分析

针对目前地铁地下车站结构抗震性能研究中不考虑地下连续墙存在的现实问题,通过建立土–地下连续墙–复杂异跨地铁车站结构静动耦合非线性相互作用的有限元数值模型,对比分析了无地下连续墙、含单层地下连续墙及含双层地下连续墙等不同情况下异跨地铁地下车站结构的地震动力反应特征。结果表明:地下连续墙的存在仅在地震强度较小时能够显著提高车站主体结构的抗水平侧移能力,当地震强度较大时结构的水平位移增大明显;从结构层间位移的角度看,结构下层的层间位移涨幅最大,不考虑地下连续墙存在的计算结果将偏于危险;地下连续墙加强了地铁车站结构的抗侧移刚度,致使车站结构整体变形性态和内力分布发生重大变化,其中结构侧墙端部应力水平明显减小,各楼板端部的应力水平明显增大;本文计算工况中,异跨车站结构的下层中柱是抗震设计时的薄弱位置,其中以双层地下连续墙工况时的结构下层最为危险。     

两层三跨框架式地铁地下车站结构弹塑性工作状态与抗震性能水平研究

针对目前缺乏对现有地铁地下车站结构抗震性能水平的认识,根据相关规范的规定,设计了7种研究不同场地类别,并考虑输入地震动强度,分析了两层三跨框架式地铁地下车站结构的动力损伤特性及其抗震水平。结果表明,地铁地下车站结构的弹性和弹塑性工作性态层间位移角限值分别小于地面钢筋混凝土框架结构的对应值;同时,地铁地下车站结构从弹性极限工作状态到弹塑性极限工作状态所对应的层间位移角的差值也较小,说明其抗震延性明显比地面钢筋混凝土框架结构的要差。基于计算结果,分析了不同输入地震动强度下地下结构层间位移角、结构与土体的刚度比和输入峰值加速度之间的关系,建立了该类地铁地下车站结构层间位移角随地下结构与地基的刚度比和输入地震波峰值加速度变化的预测公式,以及该类地下车站结构层间位移角限值与抗震性能水平的一一对应关系,初步给出了该类地下车站结构基于层间位移角的抗震性能水平划分和物理描述。     

Seismic racking of a dual-wall subway station box embedded in soft soil strata

For dual-wall subway station structures embedded in soft ground, collision contacts take place at structure-structure and soil-structure interfaces during severe earthquakes. When seismic shear waves propagate up through the weak soil strata, the safety of such station is gauged by a shear-mode racking deformation which it must withstand. A dynamic system composed of discrete and finite elements is developed using an explicit formulation for the equations of motion. The dynamic interactions among distinct concrete and soil regions are modeled considering contact-slip interface as well as non-reflecting boundary. Plastic deformations in soil and concrete regions are incorporated too. A suite of strong tremors characterized by diverse levels of peak accelerations and velocities were respectively specified as input motions at bedrock. The responses of soil and structure were then examined by carrying out time-history solutions. The results of seismic response analyses illustrate that specifying a design earthquake with higher level of peak acceleration or velocity may not necessarily render larger racking in the structure. The racking deformation could be un-proportionately amplified under certain ground motions which exhibit sharp velocity pulses.