基于新建筑抗震设计规范考虑场地土特性的人工波生成及可靠性研究

基于新《建筑抗震设计规范》对场地土特性和人工波选择的要求,将地震动作为随机过程,利用修正胡聿贤-周锡元模型以及基于Hartley正交基的地震动随机过程经双调制生成不同场地土特性的人工地震波,以6层钢筋混凝土结构非线性随机地震反应分析为例,研究了不同场地土特性人工波对结构位移可靠度的影响。结果表明,场地土因素对人工波生成以及结构的动力响应影响较大,不同场地土人工波具有明显的统计学特性,均满足建筑抗震设计规范的选波要求,为最新《建筑抗震设计规范》要求考虑大量不同场地土效应的地震波生成提供了新的解决办法。     

非平稳地震动的双调制模型研究

地震动是工程结构地震反应研究与抗震设计的基础,要分析工程系统的性能,必须要把地震动作为随机过程来建立可靠的模型。本文通过对非平稳过程演变谱的研究,给出双调制函数,建立了双调制非平稳地震地面运动模型。结合双调制函数和三角级数法生成人工地震波,通过对人工波频率和强度的非平稳性研究验证了双调制模型的有效性。同时本文给出了双调制非平稳地震激励的结构响应虚拟激励算法,得到响应的时变功率谱。分析表明,该模型具有明确的物理意义,且更符合实际,为结构抗震可靠性分析提供了一种较好的地震动模型。     

升船机结构抗震可靠度分析中若干问题的探讨

本文基于结构随机振动理论和首次超越破坏机制，以某大型升船机建筑结构为背景，应用三维有限元方法，首先对升船机建筑结构的随机地震反应问题进行了计算。在此基础上，对在不同地震烈度下大型升船机建筑结构的抗震可靠度及界限值的随机性对结构抗震可靠度的影响等问题进行了分析，探讨了基于Poisson过程假定和基于Markov过程假定的可靠度在不同地震烈度下的适用性、以及确定性界限和随机性界限对可靠度结果的影响等问题，得到了一些有应用价值的结果。最后，对在8、9度地震烈度下大型升船机建筑结构抗震可靠度分析模型的选用提出了建议。     

地震波反演与土-结构动力相互作用分析

基岩地震动的确定是土-结构动力相互作用分析的关键步骤之一.本文基于一维剪切波动理论,利用MATLAB编制了自由场地表波向基岩波反演的计算程序,进行了数值验证,并对汶川地震同济大学实测地震波进行了反演计算,分析了反演基岩地震波与地表波的差异.在此基础上,采用ANSYS软件建立土-结构相互作用体系分析模型,以土层深处的反演地震波作为输入,对土-结构相互作用体系进行了地震反应分析,探讨了在El Centro波及汶川地震同济大学实测波二种不同反演波输入下,桩基承台及上部结构地震反应的差异,得到了有工程参考价值的结果.     

多维地震波作用下地铁车站及场地的地震反应

研究了不同类型多维地震波作用下地铁车站及软土场地的地震反应特征。以上海软土场地条件下的某双层地铁车站为背景,采用有限元方法建立了描述场地土与地铁车站结构相互作用的二维非线性力学模型,其中利用等效线性化方法模拟了土的非线性。以不同类型基岩的多维(含水平向和竖向）地震波作为输入,运用ANSYS软件数值分析了软土场地中地铁车站结构及场地的地震反应,比较了不同类型地震波作用下地铁车站结构和场地地震反应的差异．算例结果表明：在长周期地震波作用下地铁车站结构的内力响应峰值以及场地地表的加速度响应峰值和位移响应峰值均明显大于普通地震波作用下的相应值;考虑竖向地震动时双层地铁车站底层中柱的柱底轴力较单一水平向地震动作用的情形有明显增大;地铁车站的存在使结构上覆土层加速度响应峰值和位移响应峰值有所降低．     

土-地铁车站及其上盖结构体系地震反应分析

为研究地震作用下地铁车站及其上盖结构体系的地震反应特征，本文以一典型的地铁车站及上盖结构体系为背景，采用ABAQUS软件建立土-地铁车站及其上盖结构体系的三维有限元模型，利用等效线性化方法考虑土的非线性，以不同类型的单向地震波和双向地震波（含水平向和竖向）作为输入，对土-地铁车站及其上盖结构体系进行了地震反应分析，比较了不同类型地震波作用下地铁车站及其上盖结构体系地震反应的差异，探讨了竖向地震动效应和转换梁刚度的影响．本文的算例结果表明：与普通基岩波和El-centro反演波输入相比较，在长周期基岩地震波作用下地铁车站及其上盖结构体系的内力响应和位移响应均最大．这一地铁车站及其上盖结构体系的薄弱部位位于地铁车站底层第2列、第3列柱的柱端和侧墙与底板连接处．竖向地震动对地铁车站及其上盖结构体系中柱的轴力响应值有较大影响．对于本文的动力计算工况，适当弱化转换梁刚度可降低上盖结构层间位移角的动力响应值．     

覆水饱和双相介质圆弧场地P波激励下散射问题的理论解

采用波函数展开法对平面P波入射复杂水域地形的空间变异性地震动场进行研究,该水域地形具有覆水层、饱和双相介质、场地非平坦以及第二类分层(场地跨越分层界面)等属性.首先,依据地震波反射和透射特性推导直角坐标系下的自由波场分布;然后,根据场地属性并引入大圆弧法分析极坐标系下的含有待定系数的散射波场;进而,结合土-水分界面和饱和土层分界面边界条件,求解散射波场中的待定系数;最后,通过自由波场和散射波场得到覆水饱和双相介质圆弧场地波函数理论解.基于理论解,通过算例验证了理论推导的合理性及可靠性,分析了地表位移在不同入射条件下的差异性.结果 表明,相对于均匀介质,饱和双相介质会显著影响地表位移分布.此外,入射波频率和角度对地震地面运动特性也有较大的影响.     

上覆分数导数粘弹性场地土地震放大效应

基于一维波动模型和分数导数粘弹性本构关系,分析了在竖直方向上传播的剪切地震波作用下,基岩上分数导数粘弹性模型描述的场地土的横向振动问题,用直接刚度矩阵法求得了场地土的地震放大效应系数,并用数值算例讨论了相关参量对分数导数粘弹性场地土地震放大效应系数的影响。研究结果表明:在简谐剪切地震波作用下,分数导数粘弹性场地土存在共振现象;分数导数的阶数、模型参数和基岩与上覆场地土层底部之间的阻抗比对场地土的地震放大效应系数有较大的影响。     

地形和土-结相互作用效应对三维跨峡谷 桥梁地震响应的影响分析

评估跨峡谷桥梁的地震性态需要考虑地形效应、行波效应以及土-结相互作用效应.将峡谷-桥梁系统在地震波输入下的反应分析看作波动散射问题,即桥梁及其邻近非规则区域对峡谷场地"自由场"的扰动. 基于此思想,本文发展了一套跨峡谷桥梁地震反应分析方法,通过二维模型分析得到峡谷场地的"自由场", 结合人工边界输入到峡谷-桥梁体系,采用土-结相互作用分区并行方法对其进行分析, 并编制了相应的分析程序.该方法可在自由场分析时考虑非垂直入射地震波, 计入行波效应,因此可综合考虑行波效应、地形效应和土-结相互作用效应. 通过峡谷场地分析算例,验证了自由场和人工边界实施的正确性; 并以马水河大桥为对象,通过5种计算模型结果的比较,分析了地形效应和土-结相互作用效应对跨峡谷桥梁地震反应的影响, 算例结果表明,地形效应对墩底剪力、弯矩和轴力有明显影响,对位移的影响要比对剪力、弯矩的影响小; 土-结相互作用对桥梁反应的影响较大,较大地减小了桥梁反应.      

不同类型地震波作用下地下综合体结构地震反应分析

为探究不同类型地震波作用下地下综合体结构的地震反应特征,本文以上海某地下综合体为工程背景,采用ABAQUS软件建立土-地下综合体结构相互作用体系三维有限元模型,利用Davidenkov模型模拟土的非线性,以不同类型的单向地震波和双向地震波（含水平向和竖向）作为输入,对软土场地中地下综合体结构进行了地震反应分析,比较了不同类型地震波作用下地下综合体结构地震反应的差异,探讨了地下综合体结构的竖向地震动效应问题．本文的算例结果表明：在长周期地震波作用下地下综合体结构的位移响应和内力响应峰值均明显大于普通地震波作用下的结果;考虑竖向地震动时地下综合体结构的柱轴力较单一水平向地震动作用情形有明显增大;在本文地下综合体结构算例中,地下三层柱底、四层柱顶、五层柱底、以及底板与侧墙连接处为受力较大部位．     

土-结构动力相互作用分析中基于人工边界子结构的地震波动输入方法

数值模拟是解决土-结构动力相互作用问题的重要手段,而合理地实现地震波动输入直接影响地震作用下土-结构动力相互作用问题数值模拟的精度。波动法是目前常用的地震动输入方法之一,该方法将输入地震动转化为人工边界上的等效荷载,相较于其他地震动输入方法,波动法模拟精度高,但实施上相对复杂。从有限元模型入手,推导了采用波动法确定等效输入地震荷载的另一种形式,以此为基础,提出了一种在人工边界上实现地震动输入的新方法。新方法通过对土-结构有限元模型中由包含人工边界节点的单元组成的子结构施加自由场位移时程并进行动力分析,直接获得可实现地震波动有效输入的等效荷载,然后将等效输入地震荷载施加在土-结构模型的人工边界节点上,从而完成土-结构动力相互作用问题分析中地震动输入和地震反应计算。与原有波动法相比,新方法避免了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带来的附加力,以及需要根据不同人工边界面确定荷载的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。采用竖直入射和斜入射地震波动作用下的弹性半空间和成层半空间地震反应算例验证了新方法的有效性。      

Nonlinear seismic waves: A model for site effects

The aim of this paper is to propose a possible mathematical model of site effects that occur when seismic waves propagate through a sediment filled basin. The model is based on the mechanical properties of the medium (that we consider as a granular material) through which the seismic waves propagate. By looking for asymptotic solutions having the features of a progressive wave, we derive an evolution equation which is a modified Korteweg–deVries–Burgers equation containing also a nonlinear dissipative term. This equation is integrated numerically and the modelled site amplification is evaluated by using the smoothed spectral ratio between the propagated profile of the wave and the initial one.     

Estimation of stochastic nonlinear dynamic response of rock-fill dams with uncertain material parameters for non-stationary random seismic excitation

This research investigates the effect of uncertain material parameters on the stochastic, dynamic response of a rock-fill dam-foundation system subjected to non-stationary random excitation. The uncertain material parameter of particular interest is the shear modulus, developed from a lognormal distribution model. The stochastic seismic response model of the dam-foundation system, with uncertain material parameters and subjected to random loads is the result of a Monte Carlo simulation method. The nonlinear behavior model arises from an equivalent linear method, which considers the nonlinear variation of soil shear modulus and soil damping as a function of shear strain. Specification of the non-stationary stochastic process arises from a simulation method, which generates artificial earthquake accelerograms obtained from the product of a deterministic function of time and a stationary process. The artificial earthquake ground acceleration records reflect the characteristics of soft, medium and firm soil types. Comparison of the numerical results from these approaches provides stochasticity in earthquake seismic excitation and randomness in material parameter (shear modulus) cases. Further, the results indicate that both these cases generally influence the nonlinear dynamic response of rock-fill dams to a non-stationary seismic excitation.     

一致输入作用下土层的地震反应分析

假定土层为线性粘弹性介质,在频域内采用有限元法分析了均匀土层中有限土域的取值范围对计算精度的影响。在一致输入作用下,主要探讨了土层地震反应随不同侧向人工边界、迫振频率、阻尼和土层长深比的变化规律。在此基础上,得到直接有限元法进行土层地震反应分析的经验计算范围。最后对一河谷地形的土层进行地震反应分析,计算表明在进行土层地震反应分析时,采用本文土层范围取值来确定土域的计算范围可以得到满意的结果。为在应用直接有限元法进行土层地震反应计算时,确定有限土域范围提供依据。     

爆炸地震波模拟研究

基于能够描述爆炸地震波的非平稳随机过程模型进行爆炸地震波的模拟研究。基于爆炸地震能量守恒以及经验关系,提出了能够考虑装药量和爆距影响的爆炸地震波功率谱密度和幅值包络线模型,并且利用实测的爆炸试验数据,对模型参数进行标定,给出单点、两点（微差）和多点（微差）爆炸地震波实用模拟方法。结果表明模拟得到的爆炸地震波时程能够很好地再现爆炸地震波的一些特性。     

Fluid–solid coupling on a cluster of GPU graphics cards for seismic wave propagation

We develop a hybrid multiGPUs and CPUs version of an algorithm to model seismic wave propagation based on the spectral-element method in the case of models of the Earth containing both fluid and solid layers. Thanks to the overlapping of communications between processing nodes on the computer with calculation by means of non-blocking message passing, we obtain excellent weak scalability of this finite-element code on a cluster of 192 GPUs and speedup factors of more than one order of magnitude compared to the same code run on a cluster of traditional CPUs. This enables us to show a new geophysical phenomenon concerning wave propagation of diffracted shear waves in a layer called D″ located at the base of the Earth's mantle, namely that in this layer the transverse and radial components of these waves can undergo a relative shift even in an isotropic Earth model, whereas this observation in real seismological data was interpreted until now as an indication of the presence of anisotropy in this layer.     

设防烈度下非比例阻尼结构地震随机响应峰值区间估计方法

建立与抗震规范设防水准相一致的地震动随机模型,给出了非比例阻尼结构体系地震反应运动方程,推导了非比例阻尼结构体系分析的复振型时域闭合解和地震随机响应的闭合解.通过随机响应的峰值因子和变异系数获得了非比例阻尼结构体系的地震随机响应峰值均值和方差,提出了设防烈度下非比例阻尼结构体系随机响应峰值区间估计方法.计算31条实际地震记录的复振型时域闭合解,并与地震随机响应的闭合解进行了比较,算例结果表明随机响应峰值区间估计方法的合理性和有效性.地震响应区间分析方法将是工程抗震设计的一个重要方法.