考虑饱和土的地铁车站结构非线性地震反应研究

饱和土广泛存在于自然界之中,将土体视为固－液二相介质,基于biot饱和土介质动力方程的u-p形式研究了反映饱和土无约束域能量辐射效应影响的等效黏弹性人工边界单元,基于地震波转化为作用于人工边界节点上等效荷载的方法实现了波动输入。采用算例验证了等效人工单元的精度。建立饱和土-地铁车站非线性有限元整体模型,分析了考虑双相介质饱和土的波动传播,对比了饱和土及单相土在地震作用下地铁车站的地震反应,并与振动台试验结果进行了比较,研究表明：地震作用下采用考虑多孔介质的特性分析地基土与单相固体介质相比更加合理。通过对车站结构关键构件的加速度、位移和内力等进行分析,研究了饱和土－地下结构相互作用体系的地震反应。     

深厚覆盖层上土石坝抗震分析的三维真非线性方法及应用

针对强震区深厚覆盖层上土石坝工程的特点,基于土石料三维粘弹塑性动力本构模型,考虑孔隙水压力消散和扩散,建立了深厚覆盖层上土石坝地震反应分析的三维真非线性有效应力动力分析方法及抗震安全评价方法。利用土石料动力特性的大型三轴试验成果,对一深厚覆盖层上的土石坝进行了地震反应分析,给出了坝体及覆盖层地基的加速度反应、应力反应,并结合单元抗震安全系数、防渗墙动应力、地震残余变形、坝坡动力稳定性等进行了抗震评价,为大坝的抗震设计提供了有力的技术依据。     

地震分析中人工边界处理与地震动输入方法研究

基于柱面波波动方程,推导建立了适用于土-结构地震动力相互作用分析的地震动输入和人工边界的处理方法.其中,地震动的输入是通过在人工边界上施加等效节点力来实现的,等效节点力的大小与入射地震波波速成正比;而人工边界的处理方法使得人工边界条件不仅在时间上是局部的,而且在空间上也是局部的.这种处理方法简单、有效,物理意义清晰,且很容易在有限元法中实现,结合Newmark时间积分是无条件稳定的.为了验证方法的有效性和精度,给出了两个算例,分别用于检验人工边界条件的性能以及地震动输入方法的正确性.算例分析结果表明,所提出的方法是十分有效的.     

三维黏弹性人工边界地震波动输入方法研究

对三维黏弹性人工边界给出了一种实用的地震波动输入方法。用等效边界力法进行地震波动输入时,把入射地震波假设为竖直向上入射的平面波,使施加在人工边界上的总荷载可以由输入波位移和速度的关系式完全表达,使地震动输入更容易在有限元计算程序中实现。解决了三维黏弹性人工边界采用球面波进行地震波动输入会出现尚待确定的未知项,不易实现地震波动的输入的困难。数值算例表明,该地震波动输入方法是十分有效的。     

透射边界-地基-风电结构地震响应与破坏模式

近海风力发电结构是由无限域地基、基础及上部结构组成的体系,有限域透射人工边界和地震动输入模式直接影响结构体系的动力响应。首先,建立透射人工边界-地基-基础-塔筒结构和固定边界-地基-基础-塔筒结构的有限元模型;然后,简要澄清了透射边界地震动输入之所以采用外力而不采取地震动物理量（加速度、速度和位移）的原因所在;最后,对给出的3种作用模式：（1）固定边界地震动输入,（2）只考虑外源输入波作用,（3）同时考虑外源输入波和内源振动的散射波作用,分别进行计算分析和比较。通过数值计算并结合理论分析,（1）澄清了对透射边界采用外力进行地震激励输入的方法的原因,这种输入方法合理可靠,符合实际情况;（2）在地震波等效荷载的生成中,针对圆形横截面地基提出了一种阻尼力、刚度力的便捷性生成方法,大大减小了工作量;（3）从自身振动特点及阻尼设置角度,解释了地震作用下采用透射边界比采用固定边界时风电结构响应减小的原因;（4）指出了地震作用下透射边界地基模型在结构动力响应与倒塌计算中内源振动反射的不容忽视性。     

考虑土-结构相互作用效应和土质地基非线性的核岛厂房结构地震响应分析

有效模拟土一结构相互作用(SSI)和土体非线性特征是进行土质地基条件下核岛厂房结构地震响应分析的关键技术问题。基于SuperFLUSH软件平台,采用等效线性法描述近场地基非线性动力特征,通过在地基有限区域设置黏性人工边界来模拟半无限地基辐射阻尼效应的影响,并利用一维有限元法进行自由场响应分析实现地震动的输入,从而建立土质地基条件核岛厂房结构地震响应分析计算模型。最后,以某土质地基条件下的CPR1000堆型反应堆厂房的集中质量简化模型作为研究对象,开展考虑SSI效应和分层土质地基非线性对于核岛厂房结构地震响应特征影响研究,验证了该计算模型的精度和工程应用效果。研究表明:考虑SSI效应,可有效吸收散射波波动能量,减小结构响应;考虑土质地基非线性效应,加速度幅值在不同方向均有不同程度的降低,峰值频率明显的向低频偏移,因此,同时考虑SSI效应及土质地基的非线性特征,并将两者相结合的分析方法对核岛厂房结构抗震分析是必要的。     

黏-弹性人工边界在双江口土石坝动力分析中的应用

应用黏-弹性人工边界于双江口土石坝的动力响应分析中,考察了黏-弹性人工边界及地基辐射阻尼效应对土石坝动力响应的影响程度。计算果表明,该方法比传统的固定边界无质量地基下的大坝加速度动响应结果降低了15%~30%,在土石坝的动力响应分析中应当予以重视。     

深软场地大地震远场地震动反应特性分析

采用等效线性方法考虑土的动力非线性特性,利用一维波动模型分析了深软场地的地震反应特性,结果表明,与输入苏州人工地震波时的计算结果相比,大地震远场地震动作用时,深软场地的地表水平向峰值加速度明显增大,规准反应谱的特征周期值显著增大,地表设计地震动的水平地震影响系数值明显增大,且两者的差异随输入地震动峰值加速度的增大而增大;当土层剪切波速的变异性由+10%变化到-10%时,地表水平地震影响系数曲线平台值有降低的趋势,规准反应谱的特征周期略有增大,且-10%的变异性对水平地震影响系数的影响要比+10%的变异性的影响显著;土体动剪切模量比和阻尼比均有变异时对地表设计地震动参数的影响较大,且土的阻尼比由-2δ到+2δ变异时,地表水平向峰值加速度和地震影响系数平台值有减小趋势。     

刚性桩复合地基-上部结构动力相互作用体系抗震性能及影响因素分析

通过模拟土的非线性动力本构模型,选取合理的人工边界及耦合阻尼模型,建立了刚性桩复合地基与上部结构相互作用体系三维有限元动力分析模型。通过计算,对比了刚性桩复合地基与普通桩基对上部结构地震反应的影响异同,同时得到了土体模量与分层、基础埋深、桩径与桩长、砂石垫层模量与厚度以及上部结构特性等因素在考虑土-结构动力相互作用时对刚性桩复合地基抗震性能的影响及其基本规律,并与已有相关试验结果进行了对比,得到较好验证。研究结果为工程设计与工程应用提供了可借鉴的理论依据。     

边界条件对土石坝地震反应的影响研究

土石坝地震反应分析中,需要对有限网格的边界条件进行处理,以反应实际地基在空间上的无限性。分别采用黏性边界和刚性边界,对土石坝进行了动力分析。结果表明：随着坝高增加,黏性边界对坝顶加速度反应影响逐渐增大;对于均质坝,考虑黏性边界计算的坝顶加速度反应约比刚性边界低10 %～30 %;对于实际双江口直心墙土石坝,考虑黏性边界计算的坝顶加速度反应约比刚性边界低30 %～40 %左右。     

含软弱土层的深厚河床覆盖层坝基动力特性研究

在强震区、含软弱土层的500 m级特厚覆盖层上建坝,超出了现行设计规范的控制范围。开展了覆盖层厚度、输入地震波峰值、覆盖层中的软弱土层厚度等指标的敏感性分析,揭示了深厚覆盖层地震反应的主要特征及坝基建基面加速度放大倍数分布的规律性。研究认为：覆盖层厚度、输入加速度峰值、软弱土层厚度等指标与建基面放大倍数的衰减在变化规律上成正相关;当输入地震波峰值加速度为0.5g作用下,含软弱土层的500 m级特厚覆盖层坝基中地震波总体以衰减为主,建基面放大倍数小于1;覆盖层加速度放大倍数随高程变化的基本规律为先衰减后放大。当存在软弱土层时,由于其滤波隔震作用会在土层内发生动力反应的二次衰减。基于上述分析,进一步提出了覆盖层下部区域地震效应衰减、中部区域软弱土层二次衰减、顶部区域放大的加速度放大倍数分布模型,编制了覆盖层加速度放大倍数建议值表,研究成果可为含软弱土层的深厚河床覆盖层坝基工程设计提供重要参考。     

三维黏弹性介质人工边界研究

为了得到适于分析非线性结构-地基相互作用问题的人工边界,结合弹性波理论与黏弹性理论,推导出了适于模拟三维黏弹性远场介质辐射阻尼的人工边界,并对其模拟远场地基辐射阻尼的性能及相应地震波动输入方法进行了研究。结果表明：在结构-地基动力相互作用问题中,得到的黏弹性人工边界模拟计算域外远场黏弹性介质的辐射阻尼具有理想精度;不论是简谐波还是非简谐波,地震波动输入都取得了理想结果;在黏弹性介质条件下自由地表处的总场位移幅值n是输入波幅值的 倍。     

强震作用下土石坝易损性快速精准分析的CIHA方法

强震作用下土石坝极易出现失稳破坏,从而造成人员伤亡和较大的社会经济损失.由于地震的不确定性,强震作用下土石坝失稳分析通常采用失稳概率表示,目前常用方法是地震易损性分析方法,主要有云图法和增量动力分析（incremental dynamic analysis,IDA）两种方法.IDA方法计算结果准确,但计算效率低,云图法计算效率虽高,但计算精度无法得到有效保证.基于上述问题,提出了一种基于云图法和IDA方法的地震易损性快速精准分析方法（CIHA,cloud-IDA hybrid approach）.CIHA方法可兼顾计算效率和计算精度,该方法基于云图法的对数线性回归假设,通过非线性时程分析,并对地震波进行一次放缩来计算相应损伤指标下的地震动强度值,利用地震动强度值得到的均值和方差生成土石坝在各个损伤等级下的易损性曲线.通过对Lower San Fernando土石坝的地震易损性分析,将所提CIHA方法与IDA方法的计算结果进行了对比.结果表明,在计算精度方面,CIHA方法可以获得与IDA方法相近的结果,在计算效率方面,CIHA方法相比IDA方法计算效率有显著提高.      

地震作用下复合地基-筏板-上部结构相互作用体系的动力弹塑性分析

基于复合地基-上部结构相互作用的静力分析已取得一定的研究成果,但其在动力荷载作用下,特别是地震作用下的动力响应却相当匮乏。首先借助有关试验通过ABAQUS和EERA的模拟分析,验证了基于Drucker-Prager屈服准则的弹塑性模型能较好地反映土体非线性动力特性以及采用有限元与无限元耦合的方法对土体无限边界的模拟。在此基础上,针对实际问题建立了刚性桩复合地基-筏板-上部结构体系整体有限元模型,对其进行动力弹塑性时程分析,并讨论了该复合地基与桩基对地震响应的差异。深入研究了不同强度地震作用下,刚性桩复合地基的工作机制,包括桩体、褥垫层、筏板的动力响应以及上部结构的地震反应和抗震性能。结果表明,小震时褥垫层基本没有减震效果,大震时复合地基的抗震性能优于桩基。地震越强烈,减震效果越明显,但作用有限,减震系数一般在0.8以上,可为工程实践提供参考。     

沉箱加桩复合基础地震响应离心试验

针对沉箱加桩复合基础地震响应问题开展动力离心试验研究。采用砂质粉土作为地基土,上部结构简化为质点和柱体,基础类型包括单桩、沉箱、沉箱加桩复合基础,利用层状剪切模型箱消除边界反射,以上海人工中波为输入波,在50 g离心加速度场下进行水平地震试验。根据基础形式的不同进行3组试验,试验结果表明：对于刚度较小的土,地震波向上传播过程中具有加速度衰减的特征;沉箱底部加桩对于降低基础和结构地震响应有积极的效果,有利于增强其抗震能力;地表、基础、结构的地震响应频率特性各不相同,这取决于其各自不同的自振特性;土与基础、基础与结构之间均会发生地震相互作用,但只有与相互作用对象自振频率均较接近的地震频域分量才能引起明显的相互作用。     

A Multi-Parameter Correlation for Predicting the Seismic Displacement of an Earth Dam or Embankment

Predictive displacement-based methods provide a useful index of the seismic performance of earth dams and embankments and can be used in preliminary assessments of these structures. In practice, simplified Newmark-type sliding block methods are commonly used for this purpose. Using a database of 122 previously published case histories of permanent deformations of earth dams and embankments, the performance of six simplified sliding block models was examined. The results show that all six simplified methods underpredict seismic displacement for many of the embankment and earth dam cases that were examined, sometimes by a significant amount. An empirical correlation was developed by performing linear multiple regression analysis utilizing multiple slope and ground motion input parameters. This approach is believed to more properly reflect strong ground motion characteristics than the use of a single ground motion parameter such as the peak ground acceleration, the approach that has been previously employed in other correlations of this type. After exploring numerous functional forms, the final resulting seismic displacement correlation that was proposed was determined to be a function of the critical acceleration, the critical acceleration ratio, the slope height, the peak ground acceleration, the peak ground velocity, the spectral acceleration, and the predominant period of earthquake shaking. The proposed empirical equation yields better correlation with the case history database than does other existing empirical correlations or simplified sliding block models.     

水下砂土层非线性动力反应的直接差分法

应用多孔介质动力学进行了水下的砂土地层的动力反应分析,水下砂层可以看作是多相介质,孔隙水是可压缩的,土壤采用了非线性本构,考虑了砂土的刚度退化和剪胀性及土水相对运动等因素,并研究了多孔介质波动模拟的边界条件,建立了水体下地层平面动力非线性动力反应的直接差分法,直接求解水体的压力和饱和土层的动孔隙压力,可以进一步分析水下砂土地震液化问题。