非一致地震激励下综合管廊接头响应数值模拟

以横向有接头地下综合管廊非一致激励振动台试验为基础,基于有限元软件ABAQUS,建立了土-地下综合管廊结构数值模型,采用非线性弹簧单元模拟地下综合管廊的接头。分析了模型箱的边界效应、加速度响应、位移响应、以及管廊接头响应,有限元计算结果与试验实测结果进行对比分析,二者对比结果呈一致趋势,非线性弹簧单元可为生命线工程结构接头数值模拟提供了新思路。     

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。     

非一致地震激励地下综合管廊振动台模型试验研究(I)——试验方法

针对浅层软土中埋设的矩形截面地下综合管廊进行了非一致地震激励下的振动台模型试验研究。作为首个此种类型结构非一致激励的振动台试验工作,本文主要介绍试验方法,重点包括试验方案设计、开洞试验模型箱与模型结构设计,根据试验的特殊要求而开发的土体滑移传感器和地下结构接头位移测量装置,以及人工合成输入地震波动时程的方法与步骤。上述试验设计方法可供今后类似试验工作参考。试验结果分析及数值模型验证结果将在后续系列论文中介绍。     

非一致地震激励地下综合管廊振动台模型试验研究(Ⅰ)——试验方法

针对浅层软土中埋设的矩形截面地下综合管廊进行了非一致地震激励下的振动台模型试验研究。作为首个此种类型结构非一致激励的振动台试验工作,本文主要介绍试验方法,重点包括试验方案设计、开洞试验模型箱与模型结构设计,根据试验的特殊要求而开发的土体滑移传感器和地下结构接头位移测量装置,以及人工合成输入地震波动时程的方法与步骤。上述试验设计方法可供今后类似试验工作参考。试验结果分析及数值模型验证结果将在后续系列论文中介绍。     

埋地管道-场地地震反应振动台试验研究的场地响应

基于多子台台阵系统,北京工业大学于近期开展了多点地震动输入、不同场地条件下埋地管道振动台试验。试验中连续体模型箱固定于3个振动台台面上,相邻台面上的箱体能在水平双方向(纵向、横向)相对运动;3个振动台相互独立,通过分别对3个振动台输入各自的加速度记录实现了多点地震动输入。本文针对其中的横向水平地震激励作用下的场地响应进行研究,分析了一致和非一致地震作用下有无埋地管线时的场地地震响应规律。试验结果表明,非一致激励作用将增大场地土体的相对位移,致使相邻地震动输入点间场地土体受到剪切作用;随着输入地震动强度的增加,场地土体的一阶固有频率持续降低,阻尼比不断增大;非自由场的阻尼比、一阶固有频率等参数略大于自由场。     

地震波斜入射下层状场地中地下综合管廊地震响应分析

利用黏弹性人工边界和等效地震荷载时域波动输入方法,结合土层和半空间的精确动力刚度矩阵,实现了地震波斜入射下层状场地地下综合管廊地震反应分析,建立了不同场地条件下地下综合管廊分析模型。计算结果表明:地震波倾斜入射情况下,综合管廊结构地震响应与垂直入射时具有显著差异,一般SV波以30°临界角附近入射时结构地震反应最为剧烈;地下综合管廊动应力集中主要分布在管廊角部、中柱上下端;成层土波速结构变化对地下综合管廊地震反应亦具有显著影响。总体上看:当穿越软夹层时管廊结构地震反应更为剧烈,且覆盖层越厚,管廊结构内力幅值越大。因此地下综合管廊结构抗震设计宜考虑地震波倾斜入射及场地土层性质的影响。     

地下综合管廊土-结构接触面参数对地震动力响应的影响数值分析

为研究土-结构接触面参数对地下综合管廊地震动力响应特征的影响,建立动力有限元数值模型,模型边界采用激励侧固定边界、远离激励侧黏性边界、其余侧自由场边界的优化组合动力边界,土体本构采用HSS模型,接触面采用改进Goodman单元,动力荷载考虑三种情况(Rayleigh波的作用、底部激励了美国加利福尼亚Upland地震波以及前两者的共同作用),分别研究不同地震动输入、接触面折减系数的改变对综合管廊内力及加速度的影响。研究结果表明:在相同的折减系数条件下,与静力作用相比,动力作用下的结构内力明显增大,综合管廊设计时应考虑地震荷载作用下内力增大的情况;随着界面折减系数的增加,正弯矩极值减小,负弯矩极值增大,加速度峰值增大;在相同接触面折减系数条件下,底部地震波输入产生的结构内力极值显著高于仅有Rayleigh波输入的情况;考虑Rayleigh波和地震波共同作用条件下,引起的管廊结构内力极值与仅考虑底部地震波输入时的结构内力极值差异不大。研究成果可供地下综合管廊结构地震响应精细化数值模拟及抗震设计参考。     

哪吒大桥地震响应分析

建立了哪吒大桥———钢桁加劲梁悬索桥的三维有限元计算模型,对该桥进行了振动特性和地震响应研究,对比分析了一致激励下和考虑局部场地效应、行波效应非一致激励下的桥梁地震时程响应的差异。计算结果表明,由于悬索桥的钢桁加劲梁采用半飘浮体系,纵向约束较弱,桥梁第1阶振型为钢桁加劲梁的纵飘;各阶振型的频率呈现出密集分布的形态;考虑地震波传播速度产生的行波效应的影响,桥梁的地震响应与一致激励下的地震响应有一定差异;局部场地效应对哪吒大桥的地震响应影响较大,特别是对大缆应力及结构变形影响很大;哪吒大桥在7度设防(地震波峰值加速度不超过0.15g)时,大桥的抗震安全性是可以得到保证的。     

非一致地震激励地下综合管廊振动台模型试验研究(Ⅲ)——数值模拟

根据非一致地震激励地下综合管廊振动台模型试验结果,以有限元软件ABAQUS为平台,定义了约束方程来考虑层状剪切砂箱的模型箱效应。土体采用线性扩展Drucker-Prager本构模型,并采用主从接触面模型考虑土-结构相互作用,建立了三维有限元模型。对各种试验输入工况下土-综合管廊体系的地震反应进行了数值模拟,并与试验结果进行了对比。结果表明:数值模拟结果与模型试验结果吻合较好。文中所提建模方法合理,可用于后续的分析。     

沉管隧道穿越纵向非均匀场地振动台试验研究

为了研究穿越纵向非均匀场地的沉管隧道地震反应规律,进行了沉管隧道穿越砂土-黏土场地和均匀砂土场地两种工况的振动台试验。沉管隧道模型材料主要为微粒混凝土和镀锌钢丝,接头材料为橡胶,模型缩尺比为1/30,采用层叠剪切箱装填黏土和砂土构成纵向非均匀场地,输入荷载为不同峰值的El Centro波和Kobe波。采集土层和隧道不同观测点处的加速度和应变等数据并进行分析,研究在不同性质土层中的沉管隧道地震反应的特点,分析纵向非均匀场地对于沉管隧道地震反应的影响。试验结果表明砂土和黏土不同的动力特性会导致沉管隧道地震反应各异:穿越非均匀场地沉管隧道加速度反应、应变反应和管节间相对位移反应明显异于均匀场地沉管隧道,且在输入不同峰值的地震波下呈现不同规律。试验结果可供沉管隧道抗震设计参考。     

榕江大桥主桥振动台试验研究

榕江大桥是一座柔梁矮塔斜拉桥,为研究其纵向合理抗震体系和减震措施,设计了1∶20缩尺试验模型,并开展了四台阵振动台试验。通过改变塔-梁的连接方式,建立了无约束体系和粘滞阻尼器体系的试验模型,并分别测试不同地震激励下的地震反应。试验结果表明:与无约束体系相比,粘滞阻尼器体系不能减小结构的纵向加速度反应,但能够有效减小纵向位移反应,且随着动峰值加速度的增加,位移控制的效果更明显;在具有相同动峰值加速度的不同地震波激励下,结构的地震响应存在差异,甚至相差较大,应选取与工程场地频谱特征值相符的地震波进行桥梁抗震设计。     

横向非一致激励下土层地震响应的振动台模型试验研究

针对自由场土体的非线性地震响应问题,采用悬挂式连续体模型箱,开展了横向一致激励和非一致激励下砂土自由场土体的振动台试验。通过试验,研究了不同地震动、不同地震强度作用下自由场土体的地震动反应特性及其变化规律,包括场地土体的动力特性、加速度地震响应、剪应力-剪应变以及土体的沉降。研究结果表明:土体的非线性发展程度不仅与地震动记录有关,还与地震动输入方式、加载等级有关;与一致激励相比,非一致激励下土体运动的不一致性引起了更强的土体结构性变化,频率降低,阻尼比增大,土体的加速度峰值和频谱峰值均有降低,土体的非线性发展相对较快。土体剪应力-剪应变曲线和沉降曲线的变化规律一定程度上也反映了土体的塑性发展情况,所得结论和自由场地震反应宏观现象一致,彼此佐证了结论的合理性。     

Rayleigh波作用下地下综合管廊动力响应三维数值分析

地下综合管廊由于埋深较浅,Rayleigh波能量对综合管廊的地震反应具有重要影响。建立非线性有限元三维动力数值模型,通过边界脉冲荷载生成Rayleigh波,研究Rayleigh波平行入射条件下综合管廊结构的加速度、位移和内力等响应特性,然后分别研究管廊断面尺寸、覆土厚度、Rayleigh波入射角和土体本构等因素对管廊结构动力响应特征的影响。研究结果表明:Rayleigh波平行入射作用下,综合管廊结构顶板受力表现为时而受拉以及时而受压,Rayleigh波传递过程对管廊结构受力产生不利影响;当Rayleigh波入射方向与管廊结构轴向夹角越接近90°,引起的动力响应相对越大;土体采用摩尔-库伦模型(MC模型)时,由于不能考虑材料滞回环属性对能量的耗散,相对于小应变硬化模型(HSS模型)模拟出的管廊结构内力和位移响应要大;管廊埋深越浅,结构位移响应幅值和内力响应幅度变化越大;不同截面管廊结构的纵向位移差别不大,竖向位移则随截面增大而减小,表明随着截面刚度的提高,抗变形能力增强;管廊结构内力峰值变化量随截面增大而减小,单仓结构在Rayleigh波作用下的内力响应最为显著。     

横向非一致地震激励下埋地管道的动力响应分析

为研究埋地管道在地震激励时管-土相互作用的动力响应问题,研发双向层状剪切连续体模型土箱,建立管G土相互作用有限元分析模型,对横向非一致地震激励下埋地管道地震响应进行数值模拟分析,并与试验结果进行对比.结果表明:数值模拟和振动台试验结果中的管道应变峰值均呈现出沿管道中间大两端小的现象,管道中间应变峰值最小达到两端的1．6倍左右;管道加速度、 土体加速度峰值均随着加载等级的提高而增大,涨幅愈加明显,多峰频率由0~10Hz逐渐向10~ 20Hz频域扩散,管道运动更为自由;土体位移随着加载等级的提高呈现逐级增大的现象,在加载等级增加到0．4g 时位移曲线斜率减小,土体非线性表现明显.数值模拟和振动台试验对比分析的结论表明数值模拟分析的合理性和试验结果的可靠性,为研究横向非一致激励对埋地管道地震响应的影响提供了依据.     

考虑场地效应的非一致激励下桥梁地震响应特点分析

本研究拟从常规桥梁（跨径不超过150m且桥长不超过600m）出发,考虑局部场地效应,对某工程场地的地震反应进行三维动力有限元分析。将计算得到的地表地震动作为桥梁桥墩处的非一致输入,然后再通过有限元时程分析计算得到桥梁的地震反应。通过与一致激励及考虑行波效应激励的地震反应计算结果进行比较,得出以下结果:由于局部场地条件对地震动的频谱、峰值加速度都有影响,与一致激励相比,考虑局部场地的非一致激励对于桥梁的下部结构反应影响较小,而对于上部结构响应影响明显;考虑行波效应的非一致激励对于桥梁地震响应有减弱效果。研究结果表明,仅考虑行波效应引起的地震动非一致性开展桥梁地震响应分析并不具备保守性。     

地震动非一致性对隧道动力响应的影响分析

针对隧道的抗震安全性,借助有限元软件平台对其地震时程响应进行非线性有限元分析。利用弹性模型考虑混凝土隧道在循环荷载作用下的拉、压应力-应变关系,同时对土体采用MohrCoulomb模型,选用人工边界作为边界条件,以人工合成的多点地震加速度时程作为地震动输入,分别考虑一致输入、行波效应、相干效应及行波加相干效应对隧道的影响。分析结果表明,与一致激励的计算结果相比,非一致地震激励会显著增加隧道结构的内力和位移响应,从而对隧道抗震产生不利影响。研究结论可为长隧道结构的抗震设计和分析提供科学依据。     

三塔长跨斜拉桥振动台试验研究

多塔长跨斜拉桥受力复杂,采用轻质结合梁时结构地震响应更具特点.本文以某主跨为616m的三塔结合梁斜拉桥为工程背景,制作动力缩尺模型进行三台阵振动台试验.在单向一致激励振动台试验的基础上,进行多维激励、多点激励振动台试验,并与数值分析结果进行比较验证.试验结果表明:此结构的基本振型为中塔纵弯与主梁竖弯的耦合振动.纵向一致地震作用下,主塔及主梁均会有较大的地震响应;横向一致地震激励下,中塔地震响应较边塔更为不利.多点激励振动台试验表明,行波效应使得各构件地震响应不同程度增大;最后,通过多维地震激励下试验结果验证了规范中方向组合计算方法的准确性.     

多维多点相关地震动作用下埋地管线地震响应的数值模拟

为了研究考虑地震动的空间相关性时埋地管线的地震响应,基于Opensees有限元程序,对埋地管线在多维多点相关地震动作用下的响应进行数值模拟。模型中采用基于柔度法的非线性梁柱单元模拟管体结构,利用基于频域合成法生成多维多点人工地震动实现地震激励输入,采用零长度单元考虑管体和土体在其接触面上的非线性力学行为。数值模拟结果表明:0.2 g地震强度下,非一致激励下管道的应变响应主频是一致激励下管道应变响应主频的4~5倍;在0.1 g地震强度下,非一致激励得到的管体应变最大可以达到一致激励下管体应变的1.5倍,且随着地震强度增强两者的差距明显增大,这种差距可能使在一致激励下安全的埋地管线在考虑非一致激励时变得不安全。所以在抗震设防等级较高的地区,考虑非一致地震激励作用对于埋地管线的破坏是必要的。     

地下综合管廊地震响应与地震动强度指标的相关性研究

以单仓、双仓和两层四仓3种断面形式的综合管廊为研究对象,通过ABAQUS建立地下综合管廊-地基系统的二维数值分析模型,并从PEER数据库选取80条第3类场地地震波,将综合管廊结构的地震响应分别与加速度型、速度型、位移型和混合型4类地震动强度指标进行相关性对比分析,依照不同强度指标获得的相关性规律,得出适用于第3类场浅埋型综合管廊结构的地震动强度指标为加速度型和速度型强度指标,以及频谱型强度指标具有较稳定的相关性。     

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。