基于流固耦合动力模型的饱和土体-隧道体系地震反应研究

基于ABAQUS软件平台,应用自行开发的流固耦合动力模型孔压单元模拟场地土体,并通过黏弹性人工边界方法实现地震动的输入,对饱和土体场地中的双孔隧道结构在地震荷载作用下的动力反应进行研究。计算结果表明:在地震反应结束时刻,场地土体位移幅值在两隧道之间以及两隧道的附近区域较大,而远离隧道的区域则较小;场地底部区域土体的孔压幅值较大,而场地顶部区域土体则较小;隧道左右两侧拱腰部位的衬砌的应力较大,而拱顶部位则较小。计算结果同时表明了流固耦合动力模型孔压单元在饱和土体-隧道体系地震反应研究中的适用性。     

SV波在饱和土体自由表面的反射

基于饱和两相介质弹性波动方程分析SV波在饱和土体自由表面的反射问题,引入波动方程的势函数解答,求解出二维问题中SV波入射情况下饱和土体自由场的位移、速度、加速度和应力响应。在饱和土体自由场响应解析解基础上,建立SV波入射下饱和土体自由场静、动力有限元模型。建模中考虑了如下几方面因素:(1)在不同分析步,对土体单元赋予不同材料本构。通过*model change命令进行单元生死设定,从而实现在初始应力场平衡的静力状态下采用DuncanChang本构模型,而地震波动输入时采用Davidenkov动力本构模型;(2)采用多孔介质黏弹性人工边界条件,在人工边界上分别施加固相和液相介质的弹簧和阻尼来模拟饱和土体中能量的传播;(3)将地震波转化为作用在人工边界上的等效地震荷载,施加到人工边界节点上;(4)土体单元采用4结点平面应变孔压单元(CPE4P)。有限元计算与解析解比较结果表明:SV波在垂直入射和掠入射时,竖向位移响应为零;在45°左右入射时,水平位移响应最大;60°左右入射时,竖向位移响应最大。这些结论与解析解吻合较好,本文模型为建立土-结构动力相互作用模型打下良好的基础。     

饱和土体-地下综合管廊结构地震响应分析

将土体视为固-液两相介质,基于饱和土体有效应力原理,建立饱和土体-地下综合管廊结构体系相互作用动力模型:在地应力平衡的静力状态下采用Duncan-Chang非线性弹性本构模型,在地震波作用的动力状态下采用Davidenkov非线性黏弹性本构模型;考虑饱和土体黏弹性动力人工边界条件,将地震动作用转化为作用在人工边界节点上的动力荷载。模型考察不同地震波时程、地震波加速度峰值、入射角度、孔隙率以及地应力场的影响,得出如下结论:(1)地震波的卓越周期与场地卓越周期相近时引起结构上的变形最大;随着地震波加速度峰值的增大结构变形增大;随着地震波入射角度的增加结构变形增大,地震波斜入射情况下产生的行波效应使得结构变形最大。(2)土体材料的孔隙水压力是影响地震中结构变形的主要因素之一。(3)将土体材料考虑为单相介质时结构上的变形要比考虑为固-液两相介质时大得多,直接将饱和土体场地中得到的地震波等效荷载施加到单相土介质-结构动力相互作用模型上,能够得到与完全基于有效应力法一致的结果。     

二维非均匀饱和土体的地震反应分析

将饱和土体视为由弹性骨架和不可压缩流体组成的两相孔隙介质,取固相位移,液相位移,孔隙水压力为场变量。从两相孔介质的动力耦合微分方程出发,利用伽辽金原理和Ｗｉｌｓｏｎ－θ法导出了三场有限元积分方法,该方法可进行二维非均匀饱和土体的地震反应分析,文中通过算例讨论了非均匀饱和土体地震反应的一些特征。     

地下结构地震反应规律和抗震设计方法研究

随着城市轨道交通系统,尤其是地铁的大规模建设,城市轨道交通系统的安全问题已经成为重中之重。地铁系统要在长时间的运行周期内保证安全,就必须具有良好的抗震性能。对于地下结构抗震问题,模型试验和数值计算是必不可少的两种手段,合理且简便的抗震设计方法是研究所要达到的目标,而地下结构周围土体材料的非线性动力本构模型是研究中的难点。本文对地下结构的地震反应规律和抗震设计方法进行了深入研究,取得了如下研究成果:(1)土的本构模型。根据Hardin和Drnevich提出的土体动应力-应变关系曲线以及其在非等幅往返荷载作用下的Pyke修正,结合Dafilias和Popov等人提出的边界面理论,构造了基于Hardin曲线的土体边界面本构模型,并在ADINA中利用自定义材料的二次开发实现了该本构模型。(2)二维有限元动力计算。采用Opensees对饱和砂土场地的地震反应进行了非线性动力有限元分析,并通过改变土性、地震动幅值、持时、频率等因素后数值模拟的对比,分析了各因素对可液化场地地震反应的影响;然后对饱和砂土中带中柱箱型隧道的地震反应进行了输入不同幅值地震动时的动力计算,分析了场地和结构的加速度反应及其频谱特性、场地的永久变形、隧道的变形和位移、以及隧道的内力分布,揭示了可液化土层中箱型隧道的地震反应规律和震害机理。(3)饱和砂土中地下结构地震反应振动台试验。完成了饱和砂土中地下结构地震反应的振动台试验,从孔压、土层加速度、土层频谱、地下结构加速度、地下结构频谱、动土压力和地下结构应变等方面分析了试验结果,并观测了宏观的试验现象,分析了饱和砂土场地以及其中埋置的地下结构的地震反应规律。(4)三维有限元动力计算。在Opensees计算平台中建立了穿过饱和砂土和粘土分界面箱型隧道的三维有限元模型并且进行了动力数值计算,对比分析了分界面两侧的土层和隧道的地震反应,此外,亦分析了沿隧道纵向地表竖向位移、隧道变形和隧道内力的分布,揭示了饱和砂土和粘土对隧道地震反应的不同作用,探索了穿过饱和砂土和粘土分界面的箱型隧道的地震反应规律和震害机理,对实际工程建设中此类隧道的抗震研究具有重要意义。(5)地下结构横截面抗震设计方法。详细介绍了反应位移法的原理和具体内容,以动力时程计算的结果作为参照,比较了几种地基弹簧参数取值方法计算结果的准确性;然后在反应位移法的基础上提出了大震下地基弹簧参数取值的非线性修正,并对其计算结果进行了验证;最后又依据地基弹簧参数取值的非线性修正,进而提出了基于反应位移法的地下结构简化pushover分析方法,并根据一具体算例对其计算结果进行了验证。(6)地铁隧道纵向抗震设计方法。介绍了几种常见的隧道纵向抗震设计方法,例如,BART法、质点-弹簧模型法和反应变位法等;然后将桩-土相互作用的p-y曲线弹簧引入到了地铁隧道的纵向抗震设计中,建立了超长隧道-地基土相互作用的p-y弹簧模型,并且通过对该模型的Pushover分析给出了地铁隧道的一种纵向弹塑性设计方法;最后通过多点激励对超长隧道-地基土相互作用的p-y弹簧模型进行了动力数值计算,得到了隧道纵向内力和变形的一些规律。     

土、结构特性对饱和土-地下综合管廊动力相互作用影响分析

将土体视为固-液两相介质,基于饱和土体有效应力原理,建立饱和土体-地下综合管廊结构体系相互作用动力模型：在地应力平衡的静力状态下,采用Duncan-Chang非线性弹性本构模型,在地震波作用的动力状态下,采用Davidenkov非线性黏弹性本构模型;考虑饱和土体黏弹性动力人工边界条件,并将地震动作用转化为作用在人工边界节点上的动力荷载。模型考察不同土体材料、结构特性以及土-结构接触摩擦对结构地震响应的影响,得出如下结论：（1）地震波的卓越周期与场地卓越周期相近时,引起结构上的变形最大;（2）综合管廊结构管廊壁厚越薄,埋深越深,结构尺寸越大,结构刚度越小,结构变形越大;（3）不考虑土-结构接触面的状态非线性将会增大结构变形。     

液化场地桥梁群桩基抗震分析简化方法

基于已完成的液化场地土—桩—桥梁结构地震相互作用振动台试验,利用两步法、等效单桩法,建立了液化场地群桩基础抗震分析的动力非线性文克尔地基梁模型。该模型考虑了桩—土相互作用的影响。首先,按照等刚度原则将群桩简化为等效单桩;其次,选用弹簧元件和阻尼原件并联的宏单元模拟桩—土动力相互作用;然后,计算地震作用下自由场地的土体位移和孔压比;最后,将地震作用下自由场地土体位移和孔压比作为模型的外部激励,计算桩的动力反应规律。将简化方法计算结果与液化场地桥梁桩基振动台试验结果进行对比发现,两者吻合较好,验证了简化方法的正确性。     

饱和软土自由场地地震反应特性振动台试验

为了解软土自由场地地震反应特性,开展饱和软土自由场地地震反应特性大型振动台模型试验。分别从模型体系自振特性、震陷位移及不同土层深度测点的加速度、动孔压比等动力响应指标方面,较为深入和全面地分析饱和软土自由场地地震反应规律、破坏机理。同时还分析模型箱的"边界效应"以验证试验土箱的合理性、有效性和测试仪器性能,并由此进一步确定模型地基有效工作区域。研究表明:(1)地震动作用下,饱和软土自由场地特征频率降低,阻尼增大;(2)饱和软土自由场地对水平输入地震波具有短周期滤波、长周期放大效应,且强震作用下地基失效并表现为减隔震作用;(3)饱和软土自由场地动孔压比优势区域位于浅埋土层,并随着输入地震动强度的增大,该区域动孔压比优势逐渐减弱。该研究可为非自由软土场地试验研究提供必要的技术经验。     

饱和砂土地铁车站的振动台试验研究

地震作用下,饱和砂土地层地铁车站的动力反应特征是城市轨道工程抗震的关键问题。以太原地铁新近沉积粉细砂地层地铁工程为对象,通过模拟地震运动输入的饱和砂土地基地下结构的振动台模型试验,分析了不同峰值加速度地震作用下饱和砂土与地下结构相互作用的动力反应性状。研究了地震波作用的放大效应与频率特征,动孔压比增长发展过程和液化区域分布,以及动土压力的变化规律。表明加速度放大系数为1.5~2.0;0.1~0.25g峰值加速度地震作用下饱和砂土均产生动孔隙水压力累计发展;0.3g峰值加速度地震作用下饱和砂土产生液化,抑制了土与地下结构的振动放大效应,地表面大量冒水,结构模型出现了明显上浮,地下结构两侧产生震陷。     

不同场地条件下非规则截面地铁地下车站结构地震反应特性研究

我国大型城市轨道交通地下结构建设处于蓬勃发展时期,建设场地条件日趋复杂,车站结构形式也复杂多样,呈现不规则特征。近年的地震灾害现象表明,地下结构在强地震作用下可能会出现严重的震害及次生灾害,城市大型地下结构工程的抗震安全性已成为倍受关注的社会问题之一。因此,研究不良地质条件下不规则地下结构的地震安全性具有重要的学术意义与工程应用价值。本文以苏州星海站的不规则(上层五跨下层三跨)地铁地下车站结构和场地条件为原型,分别采用模拟地震振动台试验和数值模拟方法开展研究,探讨饱和砂土地基和软弱粘土地基中非规则截面地铁地下车站结构的地震反应特性及损伤机理。为满足振动台试验中多种类型物理量的有效测试,采用了分布式柔性孔压传感链测试技术,阵列式位移计(SAA)测试技术,并基于机器视觉研发的非接触性动态位移测试技术实现地下结构灾变过程的可视化及数据化。论文的主要工作和成果如下:(1)将阵列式位移计(SAA)首次应用于地基土-地铁车站结构大型振动台系列模型试验中,实现土体变形的测量,并与基于机器视觉研发的非接触性动态位移测试结果相比较,表明采用SAA可较好地测试地震荷载作用下土体的位移响应;研发了分布式柔性孔压传感链测试技术,可以有效解决振动过程中传感器与土体惯性力不同而产生的自身摇摆、移位等问题。形成了地基土-地铁地下结构体系地震损伤与破坏时空演化过程的大型振动台试验可视化及数据化试验技术,可展现非规则截面地下结构的变形模式。(2)将研发的测试技术应用于大型振动台模型试验,开展了可液化地基和软弱粘土地基中非规则截面(上层五跨下层三跨)地铁地下车站结构的地震反应特性研究,给出了模型地基-结构体系加速度、变形、震陷特性,模型地基土与结构接触动土压力反应,模型结构动应变特性以及可液化地基土孔压反应及空间效应等,揭示了不良工程地质条件下地铁车站结构地震灾变特性和破坏机理。(3)对完成的不同场地条件下地铁地下车站结构的振动台系列试验结果进行对比分析,包括地铁车站模型结构周围地基土的加速度反应规律、地表震陷特征,模型地基土与结构接触动土压力反应特性,非规则截面地铁车站模型结构的加速度、侧向位移和动应变的反应规律等,得出了不同场地中非规则截面地铁地下结构地震反应特性的差异性。(4)基于有限元软件ABAQUS计算平台,形成了地基土-地下结构体系成套数值分析流程,开展了软弱场地中非规则截面地铁地下车站结构振动台试验的数值模拟,并与振动台模型试验结果进行了比较,验证了该数值分析方法的可行性和有效性。在此基础上,对复杂环境下足尺非规则截面地铁地下车站结构进行了数值模拟计算,给出了其地震反应特性。     

液化侧扩流场地桥梁群桩效应分析

基于u-p有限元公式模拟饱和砂土中水和土颗粒完全耦合效应,建立液化侧向流场地群桩动力反应分析的三维数值模型。模型中,砂土采用多屈服面弹塑性本构模型模拟、黏土采用多屈服面运动塑性模型模拟,群桩在计算过程中保持线弹性状态;采用20节点的六面体单元和考虑孔压效应的20-8节点分别划分黏土层和饱和砂层;选用剪切梁边界处理计算域的人工边界,模拟地震过程中土层的剪切效应;应用瑞利阻尼考虑体系的阻尼效应。随后对比分析2×2群桩中各单桩的地震反应规律,结果表明,各单桩的弯矩、位移时程规律基本一致,峰值弯矩及峰值位移出现时刻滞后于输入加速度峰值时刻,上坡向桩的弯矩和位移峰值大于下坡向的桩的反应值。接着通过改变桩间距研究群桩效应,随着桩间距增加,群桩中各单桩的弯矩最大值均出现在土层分界处,且各单桩的弯矩、桩顶位移逐渐增大。最后给出液化侧向流场地群桩效应的基本原因,得出该类场地群桩抗震设计的基本认识。     

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。     

饱和砂土中箱型隧道的地震反应分析

饱和砂土地基在地震作用下存在液化的潜在危险,液化引起的地基失效可能会导致地下结构的严重震害。以Opensees作为计算平台,对饱和砂土中带中柱箱型隧道的地震反应进行输入不同幅值地震动时的动力数值计算,研究场地和结构的加速度反应及其频谱特性、场地的永久变形、隧道的震后位移以及隧道的内力分布。计算结果表明,饱和砂土中箱型隧道的地震附加内力仍受周围土体的相对位移控制,此外在震后隧道可能会产生侧移和上浮的永久位移,并且可能存在残余内力。     

覆水场地地震反应分析

随着各种海洋结构物的兴建,覆水场地的地震反应逐渐成为研究热点。基于任意拉格朗日-欧拉描述,推导时变区域上的流体运动方程,给出流场、结构的接触条件和流场网格运动控制方法。对于平坦覆水场地,水平向地震动作用下,根据Couette流理论证明该类场地流体作用可以忽略;竖向地震动激励下,横向均匀场地可以通过动水压力公式准确考虑流体作用,横向非均匀场地则需要通过流固耦合方法考虑流体作用,以海底隧道为例加以说明。对于起伏场地,天然起伏场地在地震动激励下的动力反应具有明显的流固耦合特征,以三角形起伏场地为算例;结构物的兴建造成的人工起伏场地同样需要考虑流固耦合效应,以某沉管隧道在水平向地震动激励下的动力反应为算例,并根据结果初步提出该类结构物流固耦合分析的简化计算方法。     

基于混合波场地震动输入技术的近海场地地震反应分析方法

基于人工边界子结构模型,提出一种利用混合波场实现近海场地中地震P波和SV波垂直输入的方法.该方法中用于波动输入的混合波场由计算模型两侧截断边界的自由波场和底面边界的入射波场构成,避免了不规则近海场地的自由波场求解.同时采用基于声流体单元的流固耦合算法模拟场地-海水动力相互作用,利用流体介质人工边界和黏弹性人工边界单元模...     

地下水位变化对地震地面运动的影响

本文以Biot提出的流体饱和多孔介质波动理论为基础, 建立了成层地基模型, 把地下水位以下的饱和土层用水饱和多孔介质模拟, 地下水位以上土层用气饱和多孔介质模拟. 通过研究入射平面简谐波在成层地基中的传播, 分析了地下水位变化对地震地面运动的影响. 结果表明: P波入射下, 当土体骨架相对刚度较小时, 地下水位变化对地表位移尤其是竖向地表位移幅值影响较大, 随着地下水位的下降, 竖向位移逐渐增加, 相对应的峰值频率逐渐减小; 当土体骨架相对刚度较大时, 地下水位变化对地面运动影响不大.      

双层岛式地铁车站结构地震反应分析

以深圳某双层两跨岛式地铁车站为工程背景,考虑水平地震和水平、竖向地震耦合2种工况,采用ANSYS分析软件,研究SSI(土与结构相互作用)效应下结构的水平位移特征和内力响应规律.结果表明:与水平地震工况相比,耦合地震作用下结构最大内力增幅较大,由于竖向惯性荷载作用,产生最大内力位置不同;周围土体介质的变形与结构在震动中的变形关系密切;沿车站侧墙高度的相对水平位移在2种地震工况作用下的变化不容忽视,不可忽略竖向地震的影响,耦合地震作用下的相对水平位移可用线性曲线拟合.研究成果可为地铁车站的抗震设计提供参考.     

考虑水-饱和土场地-结构耦合时的沉管隧道地震反应分析

用理想流体介质模拟水层、流体饱和多孔介质模拟饱和土地层,在理想流体介质与流体饱和多孔介质相连接边界的连续条件基础上,结合已有的对理想流体介质、流体饱和多孔介质进行动力反应分析的显式有限元方法,开考虑地层与结构的动力相互作用,建立了进行水与场地、结构耦合动力分析的方法。利用该方法对沉管隧道的地震响应进行了研究,重点分析了水深、地质条件等因素对沉管隧道地震反应的影响,并从中得出了一些可供相关人员进行沉管隧道抗震分析时参考的结论。     

地下预制管廊纵断面抗震设计的反应位移法

基于横断面反应位移法的基本原理,提出了地下预制管廊纵断面抗震设计的一个反应位移法。通过对地下管廊在地震作用下发生沿纵断面层间变形时的地震响应进行研究,将地下管廊对应土体发生最大相对位移时刻作为最不利时刻,并将该时刻的土体地震响应施加于管廊作为地震作用输入。文中采用该方法研究了地震作用下单层和双层地下预制管廊的纵断面抗震性能。结果表明,地下预制管廊结构沿纵断面发生层间变形时,可能发生较为严重的受拉损伤,且受拉损伤严重区域大多出现在侧墙和中隔板位置处,抗震设计时可考虑加强侧墙和中隔板位置处的配筋。研究方法对地下预制管廊纵断面抗震设计具有参考价值。     

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。