隧道纵向地震反应分析的整体式反应位移法

对于非一致地震动作用下隧道纵向地震反应问题,采用地下结构横断面地震反应的整体式反应位移法的基本原理,给出了一种根据自由场地震反应确定隧道纵向反应最不利变形和最不利内力发生时刻,即最不利时刻的确定方法,提出了适用于地下隧道结构纵向地震反应分析的整体式反应位移法。该方法通过自由场静力分析模型,根据隧道埋深位置处的自由场最不利变形确定等效地震作用,通过隧道结构-地基整体模型的静力计算获得隧道结构的最不利地震反应。以北京某地铁区间盾构隧道结构为研究对象,分别采用纵向整体式反应位移法和动力时程分析方法进行了出平面剪切波入射下隧道结构纵向地震反应计算,并将二者的计算结果进行了对比与分析。结果表明,该文提出的纵向整体式反应位移法概念明确、过程简便,具有良好的计算精度,可用于非一致地震动输入下隧道等长线型地下结构的抗震分析。     

埋深对地下结构振动台模型试验结果的影响

振动台试验(单位重力加速度下)为开展地下结构抗震研究工作常用的试验方法,但已开展试验结果的差异较大,有时地下结构模型在极罕遇地震作用后仍然基本完好,这对获取期望的损伤破坏试验结果带来问题。产生这种现象的因素有很多,其中模型结构埋深即为关键影响参数之一。该文结合自由场大型振动台试验和整体式反应位移法分析埋深对地下结构振动台试验结果的影响,通过自由场振动台试验获取分析自由场土体在大型振动台试验中沿埋深方向的位移、剪应力、剪应变和加速度分布,并基于此,结合整体式反应位移法开展不同埋深模型结构的有限元数值模拟。结果表明:埋深不同本质上改变了模型结构所受土体变形、剪力和惯性力大小,但这些改变与结构埋深的相似比无直接关系,仅与土体本身特性和外荷载等信息有关。因此在开展试验设计时,应结合场地的地震响应来确定模型结构的埋深。在振动台试验中,土体的变形对模型结构的地震响应起决定性作用,此部分作用约占总响应的70%～80%,将结构埋置于场地最大相对变形区域可获取模型结构最不利的地震响应。     

整体强制反应位移法适用性分析及修正

现已提出了一种以土层变形为等效地震荷载形式的地下结构简化抗震计算方法——整体强制反应位移法,介绍了该方法的基本思想与具体实施步骤。土层变形作为等效地震荷载,是影响整体强制反应位移法的计算精度的关键,其准确性和适用性受到土层条件及结构本身等多方面因素的影响。通过改变地铁车站结构型式、地下结构在土层中的埋深与地基土体刚度对整体强制反应位移法进行了适用性分析,将应用该方法在不同情况下的计算结果与动力时程法进行了对比。结果表明整体强制反应位移法在软土地下结构抗震计算与分析中具有良好的适应性与计算精度。为进一步考虑地下结构抗震计算时的土层-结构相对刚度问题提出采用结构剪切变形修正系数R对方法进行修正,验算表明修正后的整体强制反应位移法计算误差更小,适用性更广。     

隧道纵向地震反应分析的反应位移法对比

针对地下隧道结构纵向地震反应问题,《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB 50909—2014)采用了纵向反应位移法,在一定程度上考虑了地震动作用下土体与地下结构的相互作用。而纵向整体式反应位移法,是一种可用于非一致地震动输入时隧道等长线型地下结构抗震分析的实用方法。以北京某地铁区间盾构隧道结构为研究对象,采用规范方法和纵向整体式反应位移法完成了出平面剪切波斜入射下隧道结构纵向地震反应计算,并与动力时程法的计算结果进行对比。结果表明,规范方法计算模型中离散的地基弹簧无法反映地基土体之间的相互作用、可能导致内力(主要是剪力)计算出现较大的误差;假定沿隧道纵向土层位移分布为正弦波式的规范方法由于正弦波型与实际情况不符,导致内力计算结果与动力时程结果相差过大;而以自由场位移时程作为等效地震作用的规范方法计算得到的最大弯矩具有良好的计算精度,但最大剪力与动力时程方法相差较大,同时这一方法需完成所有时间步的静力计算才能获得结构最不利地震反应,影响了计算效率。而纵向整体式反应位移法可以有效模拟地震作用下地基土对结构的约束作用、简便的判断结构最不利地震反应时刻,具有良好的计算精度、较高的计算效率,能够反映地震波作用下非一致地震动输入对隧道纵向地震反应的影响。     

软土浅埋框架结构抗震计算方法评价

摘要：我国地下工程结构的抗震设计主要采用等效静力法,国外则提出了自由场变形法、反应位移法等方法。本文分析评价等效静力法、自由场变形法和反应位移法应用于软土地下结构抗震设计的差异。分析中设定表征软土地下结构的基准模型,并以动力时程分析给出地下结构的地震响应。假定地质条件和结构埋深不变,通过比较分析随基准模型的结构刚度变化时计算变形和内力的差异,评价三种拟静力地下结构抗震设计方法的适用性。结果表明,等效静力法对刚度较大的浅埋框架结构适用性较好,其它情况计算的结构变形和内力偏大;自由场变形法适用于浅埋框架结构刚度较小或与周围地层刚度接近的情况,且倒三角形分布力模式优于集中力模式;反应位移法可适用于不同刚度软土浅埋框架结构的抗震设计。     

深埋地下结构地震反应分析的局部反应加速度法

城市地下结构逐渐呈现埋深更大化、断面复杂化、空间立体化等特点,中国现行《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB 50909?2014)推荐采用的反应位移法和反应加速度法在计算大埋深或复杂断面地下结构的动力反应方面存在一定的局限性。在广义反应位移法和传统反应加速度法的基础上,该文提出一种适用于深埋地下结构地震反应分析的局部反应加速度法,该方法只需确定局部区域自由场加速度和土层剪力;结合某深埋圆形断面的隧道结构,以整体动力时程分析方法为基准,分析了不同模型高度和结构刚度工况下局部反应加速度法的计算效果。结果表明:该文提出的局部反应加速度法是一种操作简便的实用分析方法,并且当模型高度取为地下结构高度的5倍时,可以获得较为准确的结构反应。     

隧道纵向地震反应最不利时刻的确定及其应用

《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB 50909―2014)建议的隧道结构纵向反应位移法,采用梁-地基弹簧计算模型,以自由场位移时程为等效地震作用,在一定程度上考虑了地震作用下土和结构之间相互作用,能够反映不同频谱成分地震波对结构纵向地震反应的影响。该文给出了根据自由场地震反应确定隧道结构纵向最不利变形和内力发生时刻,即最不利时刻的确定方法。采用规范纵向反应位移法,完成了出平面剪切波斜入射下北京某盾构隧道结构纵向地震反应计算,并应用最不利时刻的概念将规范方法在地震动持时内所有时间步的静力计算转化为单一时间步的静力计算,与动力时程法计算结果进行了对比。结果表明,规范方法得到的隧道结构位移值和弯矩值与动力时程法较为接近,但由于离散的地基弹簧不能有效模拟地基土对地下结构真实的约束条件,使得轴力和剪力结果存在较大误差;应用最不利时刻的概念,在一定程度上提高了计算效率,同时降低了隧道纵向地震反应(尤其是剪力)的计算误差。     

P波垂直入射下海域岛礁场地动力反应分析

该文重点研究P波垂直入射时海域岛礁场地的地震反应。截取包含岛礁礁体、海水以及下部基岩的近场计算域建立有限元模型,利用流体介质动力人工边界和一致粘弹性人工边界单元模拟无限海水介质与半无限地基的波动辐射效应。基于介质波动理论推导得到了P波垂直入射时含上覆水层的半空间自由场理论解,并利用基于人工边界子结构的地震波动输入方法,将该自由场运动转化为等效地震输入荷载,从而实现了海域岛礁场地P波垂直输入。通过算例分析,验证了该文模型与方法的准确性。并利用该地震反应分析模型研究海水与礁体的耦合作用以及水体中的波动输入对海域岛礁场地地震反应的影响。该研究可为海域场地地震反应分析提供一定的理论指导和方法借鉴。     

地下结构横截面地震反应拟静力计算方法对比研究

对目前地下结构横截面地震反应计算中广泛采用的地震系数法、自由场变形法、土-结构相互作用系数法、反应位移法、反应加速度法等多种拟静力方法进行介绍及分析。以大开地铁车站地震反应为例进行数值模拟,通过改变输入地震波、结构刚度、土层刚度以及结构埋深对各种拟静力计算方法的适用性进行了研究,将不同方法的计算结果与动力时程分析方法结果进行了对比。研究结果表明:反应加速度法与动力时程分析方法符合较好,表明该方法在常见地下结构环境条件下具有良好的适用性与计算精度,可以用于地下结构的抗震反应分析。     

对称地下结构抗震分析的边界强制反应位移法

基于土-地下结构体系拟静力推覆试验的需求,该文探讨一种模型侧边界强制施加水平位移的对称地下结构地震反应简化分析方法,即边界强制反应位移法。该文详细介绍了这一边界强制反应位移法的实施步骤及基本特点,并以1995年日本阪神地震中破坏的Daikai车站为算例,将该文方法、传统的强制反应位移法及动力时程方法计算结果进行了对比分析,结果表明:当模型宽度取值合理时,该文方法计算精度远高于传统的强制反应位移法,结构内力和层间位移误差在15%以内,是一种有效的对称地下结构抗震简化分析方法。同时,该文分析了拟静力模型中侧边界强制位移传递的衰减规律,可为土-地下结构体系拟静力推覆试验提供一定的参考。     

高层隔震结构单质点模型的地震响应单纯质点法研究

提出了可以快速计算高层隔震结构地震响应的单纯质点法.这种方法基于基底剪力及能量等效原则,建立简化单质点分析模型与原结构模型之间的转换关系及模型参数取值,引入能量平衡方法计算简化分析模型的包络反应,最后利用能量平衡原理及模型参数转换关系,来预测原高层隔震结构的各层地震反应包络值.给出了分析高层隔震结构加速度、隔震层及上部结构的层间变形、层间剪力等预测计算式.通过22层高层隔震结构工程实例来验证单纯质点法的有效性及计算精度,分析结果表明:简化计算结果与多质点模型时程分析法计算结果相当.所提计算方法计算量少,参数取值明确方便,同时具有良好的地震响应分析精度.     

地下结构抗震分析与设计的Pushover方法适用性研究

目前已提出了一种适用于地下结构抗震分析与设计使用的Pushover分析方法,介绍了该方法水平荷载分布形式与目标位移的确定思路以及实施步骤。分别通过改变结构在地基中的埋深、地基土体刚度和结构材料强度对地下结构Pushover分析方法的适用性进行了研究,将不同情况下该方法的计算结果与基于粘弹性静-动力统一人工边界的静-动力联合分析方法结果进行了对比。由计算结果可以看到Pushover分析方法与静-动力联合分析方法符合较好,表明该方法具有良好的适用性与计算精度,可以用于地下结构的抗震分析与设计。     

异跨框架式地铁地下车站结构抗震性能水平与评价方法研究

针对现有异跨地铁地下车站结构抗震分析方法缺乏合理性能评价指标的问题。考虑土体与结构混凝土的材料非线性和接触非线性,建立了土-异跨地铁车站静动耦合整体时域有限元数值模型,通过在基岩处输入不同强度等级和类型的地震动,研究了异跨地铁车站结构的侧向变形规律与地震损伤特性,揭示了该车站结构的地震损伤破坏演化过程,建立了基于层间位移角与损伤破坏状态的异跨框架式地下车站结构抗震性能水平评价方法与物理特征描述。所建议的抗震性能评价方法能初步应用于异跨框架式地下结构的抗震性能水平分析。     

Rayleigh波作用下地下结构地震反应影响分析

采用基于时域粘弹性人工边界的Rayleigh波输入方法,进行了土-地下结构相互作用体系在Rayleigh波作用下的动力时程反应分析,对Rayleigh波作用下地下结构的地震反应特性进行研究。重点讨论了地下结构材料强度、结构厚度以及土层刚度等因素对Rayleigh波作用下地下结构地震反应的影响。结果表明Rayleigh波对浅埋地下结构的地震动力反应影响显著,将使结构产生较大的内力与变形,在地下结构抗震设计尤其是浅埋地下结构的抗震设计时应予以足够的重视。     

基于土体连续性作用下挡土墙动力响应的显式闭合形式解

挡土墙-土动力相互作用是影响挡土墙地震响应的关键因素.基于连续介质模型分析挡土墙-土动力相互作用是当前主要的研究手段.但当前的连续介质模型无法获得挡土墙-土动力相互作用中各物理量的精确表达式,这对揭示挡土墙地震响应机理产生了阻碍.通过引入最小二乘响应面法改进了一种连续介质模型,并与现有方法进行对比,对地震作用下挡土墙动...     

下卧刚性基岩条件下场地土-结构体系地震反应分析方法研究

下卧刚性基岩条件下的土-结构体系地震反应分析模型是一个能量“半开放-半封闭”系统。它与完全的能量“开放”系统土-结构体系地震反应分析模型的不同之处是其采用了域内惯性力的地震动输入方式,这与刚性基岩-结构体系地震反应分析模型的地震动输入方式是相同的。不同于刚性基岩上的结构地震反应分析模型,下卧刚性基岩条件下的土-结构体系地震反应分析模型需要考虑半无限土层对截断边界处的影响。就笔者-所见,目前有许多研究者和工程技术人员对这一问题有错误的理解,认为截断边界的影响只是一个人工边界处理问题,分析中仅采用人工边界条件模拟了截断边界对辐射能量的影响,而忽略了一个更重要的影响因素--下卧刚性基岩条件下场地土的自由场效应。为澄清这一问题,基于土-结构体系地震反应的直接分析模型,严格推导了下卧刚性基岩条件下的土-结构体系地震反应分析方法,指出在通常的工程经验尺度内遗漏自由场运动效应将得不到正确的计算结果。     

浅眼爆破地震波传播规律

结合广州公安110综合楼深基坑浅孔爆破地震波观测,应用黏弹性岩层地震波传播的波谱分析和土层地震响应的正反问题理论,解决了近距离浅眼控爆地震波在岩土内及地表的振幅、频率和波形综合计算问题。计算表明,利用土层响应结合传递函数的波谱分析方法,可以根据实测的地表波形推算土层直至基岩面的地震动,给点爆源地震引发边坡惯性力分析提供了条件。     

浅眼爆破地震波传播规律

结合广州公安110综合楼深基坑浅孔爆破地震波观测,应用黏弹性岩层地震波传播的波谱分析和土层地震响应的正反问题理论,解决了近距离浅眼控爆地震波在岩土内及地表的振幅、频率和波形综合计算问题。计算表明,利用土层响应结合传递函数的波谱分析方法,可以根据实测的地表波形推算土层直至基岩面的地震动,给点爆源地震引发边坡惯性力分析提供了条件。