浅埋软土地铁车站地震响应数值分析

采用大变形和粘性边界条件,建立土-结构相互作用的二维动力模型,对浅埋软土场地地铁车站地震荷载作用下的动力响应进行数值研究,分析了地铁车站结构的水平相对位移反应和加速度反应,研究了地铁车站结构的埋深对结构地震位移的影响,并对地震作用下对地铁车站结构的内力进行了比较分析,对地铁车站结构的抗震设计提出了一些看法和对策.     

考虑土-结构动力相互作用的TMD结构减震控制

本文分析了TMD(Tuned mass damper)在刚性地基和柔性地基情况下的减震控制机理,以某6层钢筋混凝土框架结构为研究对象,分别考虑了土-结构动力相互作用对无TMD控制结构的影响,场地条件对TMD减震控制性能的影响和土-结构动力相互作用对TMD减震控制性能的影响。通过分析得出TMD控制系统的减震效果除了与输入地震动特性有关外,还与场地条件、上部结构和基础的动力特性等因素有关。如果土-结构动力相互作用体系的自振周期远离输入地震动的卓越周期,则相互作用体系的地震响应较小。地基土越软,框架建筑结构层间相对位移地震响应也就越小。如果考虑土-结构动力相互作用效应的影响设计TMD调频系统的自振周期,则TMD的控制效果会有一定程度的提高。     

深厚软土场地中透镜体对上部结构地震响应的影响

工程场地中透镜体对地震动具有重要影响,但目前对该问题的研究比较少,尤其是深厚软土场地中的透镜体问题还鲜有研究。本文采用有限元-间接边界元耦合法,建立非线性土-结构动力相互作用模型,并对方法计算精度进行了验证。论文首先比较了弹性基岩模型和刚性基岩模型的差别,建议采用更接近实际的弹性基岩模型研究深厚软土场地中的透镜体问题。然后在考虑场地土体和透镜体介质非线性的基础上,系统地研究了深厚软土场地中透镜体宽度、厚度和埋深对上部结构地震响应的层间位移角、加速度及基底剪力的影响。研究表明,透镜体的存在可能会明显改变上部结构的动力响应,上部结构的动力响应可能会明显放大。透镜体宽度、厚度和埋深对结构动力响应均有很大影响。     

桩-土相互作用弹簧对倾斜液化场地-群桩-上部结构体系的影响

桩-土-上部结构体系的动力相互作用是一个复杂的过程,尤其是在倾斜液化侧向扩展流动（侧扩流）场地中,由于地震过程中场地产生地面永久大变形,桩土间有可能产生错动滑移与开裂等非线性反应,因此桩-土相互作用模拟至关重要。为了探究桩-土非线性接触对倾斜液化场地-群桩基础-上部结构体系动力响应的影响,本文基于OpenSees分别建立了考虑桩-土相互作用弹簧和桩土结点之间直接绑定的有限元数值模型。结果表明：考虑桩-土相互作用Pyliq弹簧时,土体加速度幅值略微降低,桩基对土体的约束明显变弱,土体残余位移增大。同时,具有Pyliq弹簧的模型能较好地模拟桩的曲率响应,而采用桩土结点直接绑定的模型高估了桩顶曲率,进而无法准确估计桩基抗弯最不利位置。桩-土相互作用弹簧对上部结构动力响应的影响较小。     

多维地震下考虑桩-土相互作用的曲线桥地震响应分析

为研究曲线桥梁在多维地震激励下考虑桩-土动力相互作用的地震响应特性,本文建立了空间桩-土脱离、摩阻和土体压缩非线性理论分析模型。为简化计算将该非线性弹簧模型进行线性化处理,结合有限元ANSYS分析平台建立了黄土场地的曲线桥仿真分析模型,对考虑桩-土相互作用的曲线桥进行了多维多工况数值分析,对比研究了曲线主梁跨中弯矩、墩底剪力和弯矩及桥墩顶位移的地震响应。结果表明:考虑桩-土相互作用的曲线桥梁主梁跨中内力与地震波输入方向密切相关,三维地震作用下主梁内力最大;各工况地震荷载作用下桥墩底部径向剪力响应比切向剪力响应大很多,而桥墩径向弯矩比切向弯矩略小;同一工况下不同桥墩顶切向位移响应大小相当,而径向位移差异较大。在进行非规则曲线桥梁抗震设计时,应充分考虑多维和单维地震激励输入工况。     

双层球面网壳结构的阻尼替代杆件减振控制研究

采用阻尼杆件替代双层网壳结构中的部分下弦杆件,既不改变原结构的网格形式,又对其进行有效的减振控制。在ANSYS软件中建立粘弹性阻尼杆件的数值模型,采用阻尼杆件对网壳部分下弦杆件进行替换,建立网壳减振结构数值模型;分别采用8种阻尼杆件替换方式对结构进行控制,进行结构的三维地震作用分析,在三种常用II类场地地震作用下考察替换杆件布局对结构控制效果的影响。研究表明:阻尼杆件布局方式对结构动力响应的控制效果有较大影响,合理布置阻尼替换杆件可以有效降低结构最大节点位移、最大节点加速度、最大杆件轴力等响应,控制效果可以达到20%～30%。     

极限安全地震动下考虑土-结构相互作用的核电站安全壳响应分析

根据黏弹性人工边界的基本原理,结合有限元分析软件ABAQUS和MATLAB辅助程序,在地基有限区域上添加黏弹性人工边界并实现极限安全地震动的输入。基于ABAQUS软件平台,对CPR1000安全壳构建了土-结构相互作用体系的数值模拟模型,分析其在极限地震动下的动力响应,并将计算结果与考虑刚性基础的安全壳结构响应数据进行对比。结果表明:核电站CPR1000安全壳结构在极限安全地震动下仍能保持良好的密闭性。考虑土-结构相互作用后分析所得安全壳结构受到的应力、加速度峰值和相对位移均有所增大,使用刚性地基模型要偏于危险。     

大跨度空间网格结构在地震行波作用下的响应

本文对地震行波三向正交分量分别独立作用和联合作用下的大跨度空间网格结构的地震响应（包括结构控制点的位移，杆件内力，柱底弯矩等）进行了数值分析，结果表明，与一致地震振动相比，地震动的行波效应可使大跨度空间网格结构的控制点位移增大21%，柱脚弯矩增大79%，杆件内力增大100%，因此，在大跨度空间结构的抗震分析中必须进行详细的抗震分析。     

深软场地上考虑土-结构相互作用的斜拉桥被动控制分析

结合某一工程,采用软土粘塑性动力本构模型,在合理模拟深软场地非线性基础上讨论土-结构动力相互作用对斜拉桥被动控制效果的影响.利用软件ABAQUS建立了深软场地-桩基-斜拉桥三维有限元模型,作为对比,建立了深软场地上不考虑土-结构动力相互作用的常规刚性地基模型,通过时程分析法计算斜拉桥地震反应.计算结果表明:深软场地上考虑土-结构动力相互作用后,斜拉桥被动控制效果下降;在刚性地基上取得良好减震效果的被动控制手段若照搬至柔性地基上,可能不仅减震效果不好,还会给桥梁结构增加内力负担.     

土-结构动力相互作用及基础形式对超大型冷却塔结构地震反应的影响分析

采用ABAQUS有限元分析软件,分别对基于刚性地基假定的环板基础、考虑土-结构动力相互作用的环板基础和桩基础超大型冷却塔模型进行了模态分析、弹性和弹塑性时程分析,研究了土-结构动力相互作用和基础形式对超大型冷却塔结构动力特性和地震反应的影响。结果表明:当考虑相同阶数的振型时,刚性地基模型的振型参与质量系数最小。地震作用下,刚性地基模型和桩基础模型的加速度响应、支柱内力、塔壳混凝土主应力等一般比考虑土-结构动力相互作用的环板基础模型偏大,但塔顶水平位移偏小。土-结构动力相互作用比基础形式对冷却塔动力特性以及地震反应的影响更大,且二者对冷却塔竖向振动的影响比水平向大。三种模型计算所获得的冷却塔薄弱部位均集中于支柱,且支柱最大侧移角相差不大。     

水平及竖向地震共同作用下双线隧道的响应分析

基于有效的土-结相互作用有限元数值模拟方法,利用有限元软件ABAQUS对水平及竖向地震共同作用下双线盾构隧道的地震响应进行分析研究。地震动输入选取近场地震Loma、ChiChi、Mammoth和WoLong的基岩水平及竖向加速度时程记录。结果表明,不同近场地震记录对隧道结构的作用不同,隧道的地震反应与场地性质及地震动的频谱特性密切相关。对比隧道在水平及竖向地震动共同作用下的响应与单向水平地震动作用下的响应,发现隧道的最大地震附加内力及其分布均发生较大的变化,在隧道结构抗震设计中需引起重视。另外,分析中还考虑了在双向地震动共同作用下,隧道间距、土-结接触面的摩擦系数、土-结相对刚度、输入的地震记录和竖向地震动相对强度对隧道地震响应的影响等,研究结果对隧道工程的抗震设计具有一定的参考价值。     

自由场与土-地下结构场动力特征对比分析

通过数值模拟的手段,比较分析了自由场与土-地下结构相互作用场的动力特性,重点研究了土体及结构在相对位移最大时刻的动力反应与其最大动力反应之间的联系。结果表明:(1)自由场中土体的内力状态由相对位移或应变控制,且是一种局部现象;(2)土-地下结构相互作用场中,在结构相对位移达到最大时刻,结构及结构附近的土体的内力也达到最大值;(3)采用自由场的剪应力,然后再通过改变剪应力的分布形式,可以很好的模拟出土-地下结构相互作用场的内力状况。     

超大型冷却塔结构地震反应分析及试验研究

近年来,随着国家环保战略的要求,我国三北地区正在酝酿建造一批1 000 MW超临界空冷机组,与之相匹配的间接空冷塔结构一般高达200m以上,直径可达180m以上,进风口高度可达30m以上。建设地点多位于南北地震带中北段,地震危险性高,场地条件复杂。其抗震设计必须面对高烈度、土-结构相互作用以及行波效应等难题。而目前国内外关于超大冷却塔结构高烈度抗震设计问题的相关研究资料很少,可参考资料更是罕见。围绕这一问题,本文采用地震模拟振动台试验与有限元数值模拟分析相结合的手段,对超大冷却塔结构的地震破坏机理、土-结构相互作用、行波效应及其隔震可行性等问题进行了研究探讨,主要完成了以下几方面的工作:(1)采用欠人工质量相似理论设计了原型高度为220m,直径为185m的超大冷却塔结构1:30缩尺试验模型。通过地震模拟振动台试验,获得了考虑不同场地条件的不同烈度工况下超大冷却塔模型结构的动力响应、振动特性及其破坏特征,研究揭示了超大型冷却塔结构的地震作用破坏机理,发现超大冷却塔结构下部的X型支柱上下端部、筒壁最薄的塔筒喉部是其地震薄弱部位,为超大冷却塔结构优化抗震设计提供了依据。通过模型结构有限元数值模拟并与试验结果的对比分析,交互验证了有限元数值模型与试验模型的合理性。(2)针对Ⅱ、Ⅲ类场地条件下高大结构实际存在的地基土-结构相互作用效应问题,提出了对设计谱水平地震最大影响系数αmax采用修正系数αs进行调整的方法,以简化超大冷却塔结构抗震设计分析过程。采用粘弹性阻尼单元模拟地基土边界,以某超大冷却塔结构原型为例进行了地基土-结构相互作用分析。通过对比分析是否考虑土-结构相互作用两个模型的结构动力特性及地震反应,给出了Ⅱ、Ⅲ类场地条件下考虑土-结构相互作用时,冷却塔结构的动力反应规律。(3)综合考虑行波效应不利影响,提出了对设计谱水平地震最大影响系数αmax采用修正系数αT调整的方法,以简化超大冷却塔结构抗震分析过程。仍以前述超大冷却塔结构为例,进行了是否考虑土-结构相互作用效应的超大冷却塔结构行波效应对比分析,指出视波速大于1 000m/s的I类场地条件下,超大冷却塔抗震分析可以不考虑行波效应;视波速≤350m/s的Ⅱ~Ⅲ类场地条件下,建议超大冷却塔结构中应对超大冷却塔行波效应给予足够重视。(4)给出了超大冷却塔结构采用橡胶支座基础隔震技术的设计分析方法。本文采用有限元分析方法,对比研究了是否考虑土-结构相互作用、是否考虑行波效应等条件下超大冷却塔结构采用基础隔震的减震效果。以8度抗震设防为例,证明了超大冷却塔结构采取基础隔震措施后,上部结构各关键节点之间的地震反应相对位移、加速度以及X型支柱位移角均能有效降低,可大幅提升超大冷却塔结构的地震安全性。     

考虑地基不均匀性核反应堆地震响应分析

核电站结构地震响应主要取决于地震动特性、地基土特性以及结构特性.本文以某核电站反应堆厂房结构为对象,研究了考虑土-结构相互作用的不均匀地基土对核反应堆地震响应的影响,包括核反应堆和地基的最大加速度、楼层最大相对位移以及楼层多阻尼反应谱.结构地震响应分析使用SUPERFLUSH/2D软件,地基模型由ANSYS建模;核反应...     

大跨度空间网格结构多维多点随机地震反应分析

本文建立了三维正交地震动多点激励下大跨度空间网格结构的随机地震反应分析方法,依据现行抗震设计规范的有关规定,确定了平稳随机地震动功率谱密度的模型参数。数值仿真分析了一柱距80m的正方形平板网架分别在一维地震动或三维地震动的一致激励、行波激励和考虑部分相干效应的随机激励下的地震反应。结果表明:考虑地震动的空间效应会很大程度地改变结构杆件的内力,其中控制杆件的内力增幅达到30%;地震动的行波效应对结构杆件内力的影响比随机地震动的部分相干效应的影响更大;三维地震作用比一维地震作用下结构杆件的内力大。由此得出结论,对于大跨度空间网格结构,必须进行多维多点地震激励下的随机地震反应分析。     

考虑土-结构动力相互作用的车-桥系统动力响应分析

基于多源粘弹性人工边界,利用有限元软件ABAQUS建立了动力荷载作用下的路基-桥梁-车辆整体数值分析模型,分别计算动力荷载作用下车速、土-结构动力相互作用(SSI)因素对车-桥系统的影响规律。结果表明:对车桥系统来说,考虑土-结构相互作用时桥梁结构和车辆的竖向动力响应都较忽略时有显著的增大;桥梁的各参考点的竖向动力响应随着列车速度的增大而增大,但车速对桥梁的动力响应影响要大于土-结构动力相互作用的影响;地震使得车桥系统的动力响应明显的增大,同时地震作用下桥梁的参考点上竖向位移、速度的最大值出现时刻和只有列车荷载作用下出现时刻也不同。     

饱和砂土地基中群桩侧向动力响应试验与数值模拟对比研究

可液化场地中桩基尤其是群桩的横向动力响应特性的研究,一直是国内外岩土地震工程领域关注的热点问题。由于桩-土-承台结构动力相互作用过程的复杂性,基于砂土-群桩-承台结构模型振动台试验,对饱和砂土中群桩侧向动力响应特性进行了分析。在此基础上,通过大型有限元软件OpenSees建立了三维模型,展开了数值模拟研究,并将数值模拟结果与试验结果进行了对比研究。结果表明:在正弦波输入下,无论是干砂还是饱和砂土试验,群桩承台加速度和位移时程与模拟承台加速度和位移时程在曲线趋势和峰值上基本吻合;在El-Centro地震波输入下,干砂和饱和砂土的模拟承台加速度时程曲线峰值和趋势与试验的比较吻合,而承台位移时程曲线频率比试验要高,但承台位移峰值基本一致。     

基于Simulink的桩-土-结构相互作用反应谱分析

在Simulink环境下对桩-土-结构相互作用系统进行了仿真计算分析,并利用反应谱理论研究了SSI效应对上部结构动力响应的影响.采用集中参数模型考虑桩-土对上部结构的影响,上部结构简化为单质点模型,给出了桩-土-结构系统的状态方程,根据模型状态方程在Simulink环境下建立系统的仿真模型,得到了不同场地条件下SSI效应对上部结构加速度谱与位移谱的影响规律.计算结果表明:位移谱基本保持着“刚性假定＜Ⅰ类场地＜Ⅱ类场地＜Ⅲ、Ⅳ类场地”的规律;加速度谱受场地影响的规律不太明显,但在场地较软、桩基刚度较大时,加速度比刚性假定下的要小,而在其他情况下,加速度则比刚性假定下的要大.     

地下综合管廊大型振动台模型试验研究

针对地下综合管廊缺乏抗震研究的现状,开展了地下综合管廊大型振动台模型试验研究。试验中除对通常的地下结构振动台试验中常规地震响应进行了测量外,还测量了模型场地水平位移、模型结构的层间位移、模型结构内钢筋应变。同时,通过自行设计的接触面土体滑移传感器测量了结构顶板接触面土体滑移。本文对模型结构的动力响应以及接触面和周围土体地震响应规律进行了分析。结果表明：在地震作用下地下综合管廊的地震加速度响应服从周围土体的地震响应,其响应幅值不会大于周围土体的加速度响应幅值;结构内力最大部位出现在结构的角部,并且内力随着地震动强度的增加而增大;地下综合管廊接触面土压总体上随着地震动强度的增加而增大,侧板和顶、底板的土压力分布模式不同;在水平地震作用下,地下综合管廊会产生顶、底板之间的相对位移,同时伴随着横截面内的刚体转动;地下综合管廊壁板与土接触面的作用力是结构产生内力的直接原因,其中侧壁土压起主要作用。     

地震下考虑桩-土-结构相互作用的输电塔-线体系响应分析

本文研究了考虑桩-土-结构相互作用的输电塔-线体系在地震作用下的响应。根据实际工程,采用ABAQUS有限元软件,建立了考虑桩-土-结构相互作用效应的输电塔-线体系有限元模型。选取不同场地类型下的12条天然地震波,研究了不同地震波激励下考虑桩-土-结构相互作用效应输电塔-线体系动力响应。通过与考虑刚性基础的输电塔-线体系动力响应对比,得到了输电塔的薄弱位置,并提出了基于刚性基础的输电塔抗震放大系数,可为输电塔抗震设计提供参考。