反应位移法在地下综合管廊抗震设计中的应用

为探讨反应位移法在地下综合管廊地震分析中的适用性及地基弹簧刚度选取和模拟方法,采用SAP2000结构有限元软件进行地下结构地震反应分析,研究基床系数、地层剪应力计算方法对结构地震响应的影响,并与PLAXIS软件的动力时程分析结果进行对比分析。结果表明：反应位移法在地下综合管廊的初步抗震计算中可优先选用;在地基弹簧刚度计算方法中,推荐使用日本公式法和常规静力有限元法,并尽量考虑土层分层情况,若一味作均匀等效化,可能导致土体动剪切模量偏大,土层均质等效计算的结构内力值与动力时程法的结构内力偏差达到-400%~-250%;建议采用SAP2000程序中实现仅受压行为的两节点缝单元+远端固定铰支座相结合的方法模拟法向地基弹簧,采用常规土弹簧单元模拟切向地基单元。     

土钉支护边坡动力模型的建立及地震响应分析

参照上部结构抗震设计的方法,对土钉支护边坡的抗震设计提出了3个水准的抗震设防要求和两阶段设计法。综合考虑输入地震波的特性、边坡土体特性、坡高因素,以及土体边坡在水平地震激励下,其位移响应主要为剪切型变形,建立了土钉支护边坡地震动力简化模型。该模型将同一水平层不稳定土体、稳定土体在水平地震作用下运动趋势假想为同步,两者之间相互作用很小,因此,取不稳定土体和面板为研究对象。由于面板很柔,其运动随着土体的运动而变化,其刚度只考虑剪切刚度,将土钉处理成弹性支座,建立了土钉支护边坡振动方程,求解了在简谐地震作用下土钉支护边坡动力响应的解析解,通过该模型可以得到滑移面附近土钉轴力动力响应和土钉支护边坡的弹性动位移响应。最后,结合案例进行了分析,比较了按此分析方法与用ADINA按弹性有限元方法计算的结果,两者吻合较好。故这种方法可用于土钉支护边坡的第1阶段的抗震分析与设计。     

盾尾非对称推力作用下盾构隧道纵向变形分析

盾构机在沿曲线掘进或轴线纠偏过程中,盾尾非对称推力会在管片端部产生附加弯矩,从而引起隧道发生纵向变形。现有解析方法多是将盾构隧道简化为等效连续梁,不能考虑隧道管片环间接头的弱化。首先,建立一种能够同时考虑环间张开和剪切错台的简化纵向梁-弹簧盾构隧道模型（simplified longitudinal beam-spring shield tunnel model,简称SLBSM）;其次,将在建隧道简化为Winkler地基上的SLBSM,采用状态空间法推导了非对称推力作用下盾构隧道纵向变形解析解答。通过与既有文献有限元及现有两种连续梁模型计算结果进行对比,验证了所提方法的可靠性和适用性,并对部分参数进行敏感性分析。研究结果表明：连续梁模型计算得到的隧道纵向位移表现为连续特征,而所提方法得到的隧道纵向位移表现为非连续特征,隧道纵向位移在接头处会发生突变;通过参数分析可知：增大接头转动刚度可有效降低隧道隆起和环间张开量;增大接头剪切刚度可有效降低环间错台量,但会导致隧道隆起和剪力的增加;增大地基刚度能显著降低隧道环间张开量和隆起,但会导致环间错台量的增加;管片始端轴力对隧道纵向变形的影响不可...     

深基坑支护双排桩计算模型的改进

当锚索超出规划红线被越来越严格限制后,双排桩支护的应用已越来越多。实践中发现现有规范方法的双排桩计算模型简单方便,但对于软土地层时存在计算位移不够合理的情况。同时,桩间土简化为压缩弹簧未能充分考虑桩和土柱之间的作用,会使计算位移偏大。为改进这些不足,建议了一个新的土压力模式,即基坑面以下的附加压力看作弹性应力,对两排桩与桩间土的作用增加一个等效土柱刚度,对基坑面以下的桩间土弹簧刚度取压缩刚度和m法刚度的大值,使计算的位移更合理,并与有限元和工程实测结果进行了比较,初步检验其合理性。     

离岸深水全直桩码头动力简化计算方法研究

离岸深水全直桩码头结构长期承受波浪力、撞击力等动荷载作用,仅从静力角度分析不能满足工程设计要求。为研究离岸深水全直桩码头结构动力简化计算方法,利用ABAQUS软件建立了全直桩码头的嵌固点模型和结构-地基相互作用的三维弹塑性有限元模型。基于所建立的有限元模型,采用模态分析法研究了上述码头结构的自振特性。分析表明,结构基本周期较长,与波浪力、撞击力荷载周期接近,结构动力响应突出。进一步计算发现,全直桩码头结构在波浪力、撞击力荷载作用下的动力响应有限元计算结果与采用单自由度系统位移动力放大系数理论公式计算结果吻合较好,由此提出全直桩码头结构动力响应可按单自由度系统位移动力放大系数理论公式进行简化计算。在此基础上,结合规范中的m法、p-y曲线法、NL法提出了上述码头结构动力简化计算方法,通过与动力有限元计算结果对比,验证了所建立简化计算方法的正确性。     

穿越不同密实度饱和砂土地层的盾构隧道地震响应三维数值分析

地震液化对隧道结构有重大威胁,且位于不同抗液化能力地层交界处的盾构隧道段更易发生严重的地震破坏。采用三维数值方法研究穿越不同密实度状态饱和砂土地层的盾构隧道的地震响应规律。饱和砂土用一种描述不同密实度砂土液化行为的边界面模型进行模拟,首先通过隧道液化上浮的振动台试验结果验证该本构模型的合理性。其次,应用多自由度连接弹簧表征管片环间相互作用,采用文献中的拼装管片的逐级加载试验结果验证该方法的可行性。最后,建立穿越两种不同密实度饱和砂土地层的盾构隧道三维数值模型,研究相对密实度、输入加速度峰值和交界面倾角对砂土地层-盾构隧道系统动力响应的影响。结果表明,可液化地层中隧道结构位移模式是水平地震激励下产生的水平位移与由于液化上浮效应产生的竖向位移的耦合作用,加之隧道在不同土层中变形存在差异,从而导致隧道呈现扭转的变形形态。在靠近交界面处,隧道整体上浮量急剧变化且该处结构上浮量随着交界面倾角增大而增大,同时管片结构弯矩出现突变,接头螺栓的环间剪切和拉伸位移也显著增加。分析结果进一步印证地震作用下盾构隧道在不同性质饱和砂土地层交界面处更易破坏,在设计阶段应予以重点关注。     

平面P1波入射下海底隧道与海床土交界面滑移接触效应解析解

基于理想流体波动理论和Biot饱和多孔介质波动理论,考虑工程实际中海底隧道与周围海底土体的滑移接触关系,建立了含滑移界面海底隧道模型,该模型还考虑了海水-海床土-海底隧道的动力相互作用。采用Hankel函数积分变换法和波函数展开法,推导了平面P₁波入射下海底隧道与周围海底土体滑移接触界面效应的解析解。在解析解的基础上,通过数值计算分析了滑移接触条件对海底隧道地震动力响应的影响。计算结果表明：滑移接触条件对海底隧道的位移响应和应力响应影响明显;考虑隧道-海床土界面滑移接触条件下海底隧道的位移响应和应力响应显著高于界面无滑移条件时的位移响应和应力响应。     

输水隧道地震响应的多物质ALE数值分析

为研究浅埋输水隧道内部流体对隧道地震响应的影响,考虑黏弹性人工边界、土壤的非线性、隧道结构刚度有效率及流-固耦合作用,建立了双线隧道-土体-流体相互耦合作用的力学模型。通过刚度折减试验得到衬砌环环向、径向、轴向刚度,进而引入正交各向异性连续材料作为衬砌材料模型。采用基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）描述法的流-固耦合方法,对上海某大直径双线输水隧道在流体作用下的地震响应进行了分析。通过与等效密度法对比,验证耦合模型对于处理输水隧道多物质非线性耦合抗震问题的可行性。计算结果表明,在水平方向地震激励下,无论一致激励或是非一致激励流体对隧道地震变形和内力都有较大影响,但对位移影响较小;对于不同隧道内水量,隧道弯矩均集中于衬砌隧道45°交叉斜线位置;相比于一致激励,非一致激励增强隧道地震位移和变形响应是明显的。     

饱和土场地-桩基-地上结构体系的地震响应研究

饱和土场地-桩基-地上结构体系中,饱和土与结构分别具有不同控制方程和计算方法,造成有限元计算的不便。基于Client-Server技术,通过两个子程序分别计算饱和土和桩基-上部结构的动力响应,并利用土体和结构的共同节点传递两者间的作用力与位移,建立了一套求解饱和土-结构相互作用问题的交互式计算方法,其中饱和土采用基于u-p（其中u表示固相位移,p表示孔压）方程的全显式时域积分法求解,有效提高计算效率。最后,通过与Newmark法的数值结果进行对比,验证了提出方法的正确性,并说明该方法可以应用于求解饱和土场地-桩基-地上结构体系的地震响应问题。     

饱和土动力方程全显式有限元法在OpenSees中的实现与应用

饱和土的动力响应一直是土动力学重点关注的问题,尤其是在循环荷载作用下饱和砂土容易发生孔压升高、强度降低的液化现象。同时,采用有限元法求解尺寸较大的实际饱和土场地,巨大的自由度数往往造成整体系统的计算效率极低,制约着饱和土数值方法的发展。因此,基于已提出的u-p(u为固相土骨架位移,p为孔压)饱和两相多孔介质动力方程的全显式有限元法,将其嵌入Open Sees开放性平台中,并利用软件自带的饱和多孔介质单元和本构模型,实现了高效、显式计算饱和土的动力响应。通过计算二维弹性饱和土动力响应,与Newmark法的计算结果对比,两者结果吻合较好,验证了嵌入算法的正确性。将提出方法计算非线性自由场海床土的地震响应问题,有效模拟了海床土的液化过程和失效模式以及发生的侧向变形,同时说明了提出方法在计算效率方面具有的显著优势。     

地震动下考虑各向异性土体-盾构隧道数值模拟

针对层状土体-盾构隧道地震反应分析,引入了横观各向同性弹塑性模型,建立了横观各向同性介质的双渐近-多向透射边界条件。针对盾构隧道抗震设计的特点,基于横观各向同性弹塑性模型,研制了考虑层状土体各向异性和施工开挖效应,适合于地下结构动力计算的弹塑性动力有限元程序。在程序中对不同的材料采用了不同的本构关系和单元形式,并采用了关联流动法则和多种屈服准则,可同时进行横观各向同性土体与地下结构的平面应力、平面应变和轴对称问题的静动力有限元分析。最后,利用所研制的程序对上海地铁二号线石门一路站附近区间隧道在不同超越概率地震波输入下的地震反应进行了计算。结果表明,在层状土体-地铁盾构隧道的抗震分析中考虑土体各向异性的影响是必要的,所提出的计算模型是合理易行的。     

土-地下结构体系地震反应的简化分析方法

基于Penzien提出的土-结构动力相互作用分析的集中质量模型,考虑等价土体的层间剪切刚度与阻尼效应,提出了土-地下结构动力相互作用体系地震反应分析的简化分析方法,选取具有不同地震动特性的Taft波、汶川地震什邡八角波和松潘波作为基岩水平向输入地震动,采用该简化方法和二维有限元法对土-地铁地下车站结构体系的地震加速度反应特性进行了对比分析,结果表明：简化方法计算的地铁地下车站结构峰值加速度反应大于二维有限元法计算的地铁地下车站结构峰值加速度反应,两者的差异与输入地震动特性有关,但其随地铁地下车站结构高度变化的总体趋势较为一致;随着输入地震动强度的增大,其差异程度也有所加大。该简化方法可合理反映土-地下结构体系的动力相互作用效应,可作为地下结构抗震设计分析的一种辅助方法。     

Effect of compressible parameters on vertical vibration of an elastic pile in multilayered poroelastic media

This paper mainly investigates the influences of compressible parameters on the vertical vibration of a pile embedded in layered poroelastic soil media. The pile is treated as a 1D elastic bar by the finite element method, and fundamental solutions for the layered poroelastic soils due to a vertical dynamic load are obtained by the analytical layer element method. Based on the compatibility conditions, the pile-soil dynamic interaction problem is solved. The numerical scheme has been compiled into a Fortran program for numerical calculation. Influences of the pile-soil stiffness ratio, compressible parameters, vibration frequency and the soil stratification are discussed.     

筒型基础防波堤稳定性简化计算方法

筒型基础防波堤是一种新型港口与海岸工程结构,依靠下部筒体沉入土中维持结构稳定。结合实际工程,建立了筒型基础防波堤稳定性分析的三维弹塑性有限元模型,得出了其失稳模式为绕基础筒底以下某点发生转动失稳。通过对结构进行极限状态受力分析,建立了基于实际转动点的结构稳定性计算方法,对稳定性计算模型和土体作用力计算公式等进行了检验。在此基础上,将转动点移至基础筒底部距结构中心线水平距离为h′的位置,以此作为结构倾覆破坏时的假想支撑点,建立了基于重力式结构稳定性验算模式的筒型基础防波堤稳定性分析的简化方法。通过不同基础尺度下计算结果的分析比较,建议了h′的取值。与有限元计算结果的比较表明,建立的简化计算方法具有较高的精度,可供实际工程参用。     

软土地下结构的地震土压力分析研究

在软土室内动力试验和有限元有效应力动力反应分析基础上,采用一种能够全面考虑软土振动孔压上升及消散、震陷、土-结构动力相互作用等因素的软土地下建筑物抗震稳定分析方法,对上海地铁一号线典型地铁车站结构进行地震土压力计算分析。据此对各类常用地震土压力简化计算方法进行评价,为今后改进地震土压力计算方法、提高软土地下建筑抗震设计水平提供了依据。     

地震作用下输水隧道的流-固耦合分析

在大规模的调水工程的建设中穿越软土地区的浅埋输水隧道的抗震性能问题更加突出。大管径浅埋输水隧道由于内部水体质量巨大,且在振动作用下隧道内部水体产生晃动,由此引起水体-隧道衬砌之间的耦联作用,这些都直接影响隧道衬砌的动力响应。针对这一问题,将围岩-衬砌-水体作为一个整体进行有限元剖分,采用流-固耦合的分析方法,对隧道中流体对隧道衬砌的频率以及隧道衬砌动力响应的影响进行了研究,其中管内水体采用基于势的流体单元,同时对隧道内无水、半满水、满水的频率和隧道衬砌的动力响应进行了比较分析,结果表明流体对软土中输水隧道的频率和隧道衬砌动力响应的影响很大。