地下结构地震反应分析中材料非线性的影响

基于静、动统一数值分析方法,建立了考虑土与结构接触效应和材料非线性的地下结构地震反应分析模型,并利用通用有限元软件ANSYS对某地铁地下结构地震反应进行数值模拟,探讨了地下结构的非线性地震反应规律,并分析了材料非线性对地下结构地震反应的影响。结果表明:考虑土与地下结构材料的非线性特性后,地下结构在强地震作用下发生了较大的塑性变形,应力、应变最大值位置发生明显变化,应力、应变状态发生明显改变,而对位移、速度、加速度反应的影响不大。     

地震动入射角度对地下结构地震响应的影响

考虑土-结构接触面效应和场地初始静应力影响,基于大型商用有限元软件ANSYS和粘弹性人工边界条件,采用动力松弛法的分析思路,建立了一种地震动斜入射条件下地下结构的接触非线性动力反应分析模型和方法,并讨论了地震动入射角度对地下结构动力反应的影响。结果表明：地震波斜入射使得结构的整体反应发生明显变化;随着入射角度的增加,节点的水平向应力反应明显增大,竖向应力峰值较小,增大程度也相对较小;节点的位移峰值随输入加速度峰值的增大也有一定的变化。因此,在分析近源地震作用下的地下结构动力响应时,需要考虑地震动的非一致输入问题。     

变截面地铁地下车站三维地震反应特性数值模拟

基于ABAQUS软件的96CPU显式有限元并行计算集群平台,建立地基土—变截面地铁地下车站结构体系三维非线性地震反应分析有限元模型,数值模拟Kobe地震记录、Mex地震记录和100年超越概率3%的南京人工地震波作用下,软弱地基上变截面地铁地下车站结构地震反应特性。结果表明:地下结构上部土层地表处峰值加速度小于不含地下结构土层表面峰值加速度;地震动作用下模型地基呈现出显著的低频聚集(放大)、高频滤波效应;地震动在穿越地下结构时,出现散射等复杂传播行为。变截面地下结构(上宽下窄型)的下层结构地震响应大于上层结构,下层结构中柱的应力峰值大于楼板和侧墙的应力峰值,侧墙的应力峰值大于楼板的应力峰值。上层结构中柱的应力峰值最大,变截面处侧墙应力峰值次之,楼板应力峰值最小。输入地震动的峰值加速度和频谱特性对地下车站结构的地震反应均有很大影响;地下车站结构的地震反应具有明显的空间效应。     

土-大型地铁地下车站结构动力接触效应研究

以苏州地铁一号线的星海站为工程背景,考虑土与地铁车站结构非线性动力相互作用效应,分析了土与地下结构接触面的动力分离与滑移效应、土与地下结构接触面上动土压力和动摩擦力的分布规律与反应幅值,以及动力接触效应对地铁车站结构动力反应的影响规律。研究结果表明：强地震发生时,在地铁地下车站结构侧墙顶端,出现了土与结构接触分离现象,在车站结构顶底板处,土与结构产生了相对滑移现象;考虑动力接触效应时,地下结构总体动力反应是变小的。给出了车站结构侧墙上动土压力分布规律及其动土压力系数,以及车站结构顶底板上的动土压力分布规律及其反应幅值。研究结果对进一步了解土与地下结构的动力接触效应及其对地下结构动力反应的影响,具有一定的参考价值和指导意义。     

地震作用下大型渡槽结构纵向碰撞非线性分析

本文依据建立的渡槽薄壁结构动力分析模型,利用非线性接触单元Kelvin碰撞模型,开展了渡槽结构纵向碰撞非线性地震响应分析。选择适合不同场地条件和不同峰值调幅的地震动输入,计算分析了南水北调某渡槽结构纵向碰撞地震响应。分析计算结果说明,伸缩缝间距大小对跨间碰撞效应影响很大;同时结构碰撞响应对输入地震动具有较强的频谱敏感性;经比较渡槽结构考虑碰撞与不考虑碰撞效应的地震反应,结果显示两者存在明显差异,说明开展大型渡槽结构非线性碰撞地震响应分析是很有必要的。     

卵石土场地地震反应特征振动台试验研究

为研究卵石土场地地震反应特征,基于四川成都典型卵石土场地,通过振动台模型试验研究卵石土场地在不同地震波、不同地震强度激励下的加速度峰值放大系数、加速度频谱反应及动土压力反应,并且对其场地地震反应非线性效应及土体动剪应力-动剪应变关系进行分析。结果表明：卵石土场地表层土层对地震波具有明显的放大效应,加速度峰值放大系数介于1～1.4之间,下部土层放大效应较小,加速度峰值放大系数介于0.9～1.2之间。卵石土场地对地震波具有低频放大,高频滤波的作用,滤波频率上、下限随激励强度的增大逐渐向低频方向移动。激励强度较小时,土体尚未破坏,动土压力在地震过程中逐渐增大;随着激励强度的增大,动土压力反应明显增大,表现出骤减后逐渐增大的现象。在激励强度较小时(SN1),中部土体最先进入非线性反应阶段,地震波在中部土层能量损耗最大;激励强度较大时(EL3),土体均发生了较大变形,土体最大动剪应变达到1.7%,此时卵石土场地对地震波的放大作用明显减弱。     

不同类别场地上地铁高架车站结构抗震性能的研究

针对城市轨道交通常用的桥建合一高架车站结构形式的特殊性,基于Abaqus有限元软件平台,建立了土-桩-高架车站结构非线性动力相互作用的整体有限元分析模型,考虑输入地震动的频谱特性和场地类别,系统分析了场地类别和输入地震动特性对某地铁桥建合一高架车站结构横向地震反应的影响规律,给出了不同场地类别条件下高架车站结构地震横向变形特征、结构加速度放大效应和地震损伤程度等变化规律。计算结果表明:场地类别对高架车站结构地震反应的影响非常明显,尤其是当场地类别从III类变化到IV类时,其对结构地震反应各方面的影响都更为明显。同时,发现桥建合一高架车站结构站台层上的站台虽然高出站台层不多,但是其对站台层的峰值加速度放大效应尤为明显。     

具有埋入基础的土-结构系统的非线性地震响应分析

本文使用7S-Ⅱ计算机程序,在两个不同大小的地震力作用下,对具有埋入基础的土-结构系统进行了地震响应分析。分析中不但考虑了地基土的材料非线性,而且考虑了接触界面的非线性。为了估计这些非线性性能对结构和土的响应值影响的大小,文中定义了非线性时间比,β_J和β_J。接触界面的动力性能在文中也得到了详细的讨论。在中等地震的作用下,界面上的滑移和剥离对其邻近区域的响应值就有了很大的影响。随着激震力的增大,结构物基础的侧面和地基土会完全剥离,使得系统的基频发生漂移,从而引起结构物顶端的线性和非线性结构内部反应谱之间在共振频率区段内有明显的差别。     

基于Pushover方法的漫滩软土区地铁车站抗震分析

为研究地下结构Pushover分析方法在不同条件下的适用性,基于有限元软件平台,建立长江漫滩区地铁车站土-结构二维有限元分析模型,分别采用非线性动力时程分析方法与地下结构Pushover分析方法对5种不同土体刚度模型进行抗震分析。峰值层间位移角与峰值内力的分析结果表明,当土体刚度与结构刚度一致时,地下结构Pushover分析方法计算结果与非线性动力时程分析方法计算结果相近,而当土体刚度小于结构刚度或土体刚度大于结构刚度时,Pushover分析方法计算精度下降。     

地震动峰值位移和峰值速度对地下结构地震反应的影响

针对3类不同的典型场地条件下的单层双跨地铁车站结构,采用土-地下结构整体动力时程分析方法,分析了地震动水平输入时峰值位移和峰值速度差异对地下结构地震反应的影响。结果表明,地震动峰值速度差异对地下结构地震反应的影响,在硬土场地条件下较大,中硬场地条件下次之,软土场地条件下最小;地震动峰值位移差异对不同场地条件下的地下结构的地震反应无明显影响。     

基于自由场局部变形的地下结构抗震Pushover分析方法

对地下结构抗震Pushover分析方法进行了改进,采用自由场局部变形峰值作为目标位移,局部变形峰值时刻对应的土层水平加速度作为等效惯性加速度输入。给出了局部变形峰值和等效惯性加速度确定方式,详细介绍了基于自由场局部变形的地下结构抗震Pushover分析方法实施步骤、使用方法和功能特点。该方法更有针对性地考虑了强地震作用下不同埋深地下结构与土体的非线性特征以及两者之间的相互作用,通过分析变形和受力情况可以得到完整的能力曲线,更好地评估地下结构抗震性能。使用本文方法对3种埋深的地下结构进行计算,并与动力非线性分析结果进行对比研究。结果表明:本方法在计算稳定性和模拟精度方面优于基于自由场整体变形的Pushover方法;对于不同的输入地震波,能力曲线的吻合程度更高;在强震和罕遇地震情况下,对于深埋地下结构,计算结果略大于动力非线性结果,对实际工程而言更加安全。     

地下RC结构物地震响应特征土工离心试验的模拟

地下结构物抗震稳定性的研究具有重要实际意义。基于动态土工离心试验,应用有效应力法分析了不同水平地震作用下土层和地下RC结构物的最大水平位移、不同埋深的土层加速度和超孔隙水压力变化规律,以及结构物的破坏发展特征,并进一步与试验结果进行了相互验证和对比,取得了较好效果,为重要地下结构物的抗震设计提供了依据和参考。     

Seismic performance analysis of underground structures based on random field model of soil mechanical parameters

Soils with spatial variability are the product of natural history. The mechanical properties tested by soil samples from boreholes in the same soil layer may be different. Underground structure service in surrounding soils, their seismic response is controlled by the deformation of the surrounding soils. The variability of soil mechanical parameters was not considered in the current research on the seismic response of underground structures. Therefore, a random field model was established to describe the spatial variability of surrounding soils based on the random field theory. Then the seismic response of underground structures in the random field was simulated based on the time-domain explicit global FEM analysis, and the soil mechanical parameters and earthquake intensity influencing the seismic response of surrounding soils and underground structures were studied. Numerical results presented that, the randomness of soil parameters does not change the plastic deformation mode of surrounding soils significantly. The variation coefficients of inter-story deformation of structures and lateral deformation of columns are much smaller than that of mechanical parameters, and the randomness of soil parameters has no obvious effect on the structural deformation response.     

地基弹性参数对于长型大截面地下结构横向自由振动的影响

自由振动分析是地下结构地震动力响应分析的基础。本文利用笔者先前得到的长型地下结构的自由振动方程,研究了地基弹性参数对地下结构自由振动的影响。由分析可以看出,随着地基弹性参数值的增加,结构中波速值总的趋势是增加,但是温克尔地基参数对结构中波速的影响远大于第二地基参数的影响;地下结构振动频率总的趋势是随着温克尔地基参数k和第二地基参数gP值的增加而增加;与地基参数对地下结构中波的传播速度的影响不同,k和gP对地下结构振动频率的影响是同阶的,因此不能忽略gP对地下结构自由振动的影响。     

Construction parameters of graded sand-gravel foundation on seismic response law of nuclear safety grade underground corridor

The treatment of soft soil foundation under nuclear safety grade corridors with graded sand and gravel materials has a good development prospect. It is of great engineering value to explore the influence of construction parameters of graded sand and gravel foundation on the seismic response of gallery structures. Taking the safety grade underground corridor of a nuclear power plant as the engineering background, the equivalent linear method is used to consider the nonlinear dynamic characteristics of graded sand and gravel. The energy transfer boundary is applied at the truncation boundary to simulate the dissipation effect of scattered wave fluctuation energy and the ground motion input. The thicknessless contact element is introduced to consider the contact effect between the corridor structure and the graded sand and gravel foundation, so as to establish the calculation model of the dynamic interaction between the graded sand and gravel foundation and the corridor structure. Furthermore, the influence of the relative compactness and the foundation treatment depth on the seismic response of the corridor structure is studied, and the calculation results of the acceleration response spectrum and relative displacement of the corridor structure are analyzed. The calculation results show that the two construction parameters have different degrees of influence on the seismic response of corridor structure. The research results can provide reference for the engineering design and construction of underground corridors, and provide technical support for the application of graded gravel materials in soft soil foundation treatment.     

地下隧道轴向地震动土作用分析

以弹性基岩上覆层状场地中刚性衬砌隧道为模型,采用间接边界元方法求解衬砌隧道所受的沿轴向地震动土作用,通过参数分析揭示轴向动土作用的幅值大小、空间分布等基本规律。研究表明,土-隧道动力相互作用对地震动土作用的空间分布形式影响较小,但对地下隧道所受地震动土作用峰值大小具有显著影响,隧道主要位置点的地震动土作用峰值与隧道相应位置处自由场土层应力相比放大1.7~2.4倍。论文最后提出一个轴向地震动土作用的简化计算方法。     

爆炸地震波作用下地下结构动力响应数值分析

爆炸地震波荷载类似于天然地震波荷载，但又不完全相同。基于有效应力动力分析法，运用二维显式有限差分程序FLAC对地下结构在竖向和水平爆炸地震波荷载作用下的动力响应进行数值分析。编制了周围土体介质分析模型的程序模块并与FLAC接口。考虑了水平和竖向爆炸地震波荷载对地下结构的耦合效应，得出了一些定性的结论。     

地下与地上钢筋混凝土矩形结构抗震性能对比研究

地下结构由于受周围土体的约束作用,其受力与变形特点与地上结构存在差异。采用Pushover分析方法分别对考虑土-结构相互作用的地下结构和不考虑土体的地上结构的抗震性能进行对比研究,探讨单层单跨和单层双跨钢筋混凝土矩形结构在有、无土体存在时抗震性能的差异。研究表明:考虑土-结构相互作用的地下结构变形能力与无土体时存在差异。在相同结构尺寸与初始轴压比的情况下,考虑土-结构相互作用的地下结构弹性层间位移角限值变小,地下结构更早出现塑性铰;单跨地下结构变形能力比地上结构的差,周围土体的剪切变形约束作用使得地下结构的延性变差;双跨地下结构与地上结构中柱变形能力相差不多,但侧墙的变形能力比地上结构的略差。因此,即使相同尺寸和初始轴压比的钢筋混凝土矩形结构,地上与地下结构的抗震性能仍存在较大差异,地上结构的相关研究成果不宜直接用于地下结构。