基于改进反应位移法的盾构隧道横向抗震规律研究

在地震动作用下,小间距盾构隧道夹土层区域的动力反应影响结构的内力与变形,而反应位移法未考虑夹土层弹簧参数的变化,本文针对这一误差来源,提出了改进反应位移法。一方面在反应位移法合理内容的基础上完善计算模型,另一方面通过数值计算将改进反应位移法与动力时程法进行对比分析,并拟合理论模型对改进的方法进行修正。结果表明,两种算法下结构的地震响应规律一致;间距d≥8m时,结构地震动反应变化不明显,可按反应位移法计算;理论模型提高了改进反应位移法计算结果的精度。     

复杂软土盾构隧道纵向抗震分析

以天津Z2线盾构隧道工程为实例,基于ABAQUS有限元软件,建立三维梁-弹簧模型模拟盾构隧道,采用反应位移法对盾构隧道进行纵向抗震分析。根据盾构隧道接头实际情况,计算环间接头弹簧刚度。将地震作用下的自由场最大水平位移幅值,以简谐波的形式施加到盾构隧道轴向和横向。提出一种同时考虑轴向和横向水平地震动耦联效应的方法,通过调整轴向和横向(1/0.85或0.85/1)位移幅值的组合,求解了4种工况下盾构隧道的内力和接头张开量。通过对结果进行比较分析,得出一些对抗震设计具有参考价值的结论。     

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。     

含软弱夹层场地中地下结构抗震分析的反应位移法误差分析

反应位移法是《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB 50909—2014)和《地下结构抗震设计标准》(GB/T51336—2018)在均质场地或简单成层场地中推荐使用的地下结构抗震简化分析方法,对于软弱夹层场地中其适用性有待商榷。本文基于ABAQUS有限元分析软件,构造了一般成层场地和含软弱夹层场地,采用土-地下结构整体动力时程分析方法获得了不同工况下地下结构的地震反应。以此为基准,评价分析了反应位移法在含软弱夹层场地中的适用性。结果表明：较一般成层场地而言,含软弱夹层场地中反应位移法所得出的结构反应与动力时程分析方法相比误差更大,在含软弱夹层场地中反应位移法适用性显著降低;从地基弹簧、土层剪力和结构惯性力三方面分析了误差产生的原因,给出了含软弱夹层场地中可使用整体式反应位移法提高计算精度的建议。     

基于反应位移法的复杂软土盾构隧道横断面抗震分析

采用反应位移法,利用ABAQUS软件建立梁-弹簧有限元模型,进行复杂软土场地中盾构隧道横断面抗震分析,并结合天津滨海Z2线软土盾构隧道进行计算。研究表明,在地震作用下,最大弯矩值和剪力值一般出现在拱肩位置,最大轴力值一般出现在拱腰附近;处于复杂地层附近的隧道结构内力值较大,应加强该位置处的抗震构造措施或在选线时尽量避免复杂场地。本文对复杂软土场地中盾构隧道横断面抗震设计具有一定参考价值。     

轨道交通地下结构抗震设计相关反应加速度法分析

通过梳理轨道交通地下结构抗震设计流程,明确抗震设计方法选择的原则和依据。在阐明反应加速度法基本原理基础上,引出土层地震反应分析的一维等效线性化法,并对影响土层地震反应计算结果关键参数进行讨论。针对一维土层地震反应得到的加速度时程提出合理拟合抛物线型二阶基线方程,可以消除加速度时程长周期随机分量引起的漂移问题,经自然积分可以得到消除基线漂移的位移时程;同时阐明数值分析软件Origin Pro有效解决积分得到位移时程的基线漂移问题并得到合理位移分布的途径和方法。以北京地铁3号线体育中心站为例,详细说明反应加速度法相关各个技术环节实现的方法和结果,并指出反应加速度法或位移法所依据的土层地震反应分析和位移时程的确定具有较强专业性,应做专项咨询分析工作;只有一维土层地震反应分析获得的加速度反应谱及时程客观合理,有限元计算所需相应地震动水平的等效剪切模量才可信;积分得到的位移时程需要有效消除基线漂移影响。只有上述相关结果真实客观可信,有限元计算结果才能模拟真实的土层-地下结构地震反应。     

四种地下结构抗震设计简化分析方法对比

在地下结构抗震设计简化分析方法中,强制反应位移法将土层变形施加在有限元模型侧边界模拟地震作用,反应加速度法将土层加速度施加到整个有限元模型上模拟地震作用,此外还有仅将土层加速度施加到土层模型上模拟地震作用的方法。上述方法均规避了反应位移法中关于弹簧刚度的取值问题,提高了计算效率。本文以1个双跨箱形结构为例,用动力时程分析的计算结果作为校核,分析了强制反应位移法、反应加速度法和仅将土层加速度施加到土体中的简化分析方法在不同侧边距条件下的计算精度,再结合常用的反应位移法,对比分析了4种简化分析方法的误差。分析结果表明:使用强制反应位移法时,侧边距取为1倍结构宽度导致的误差最小,反应加速度法和仅在土体施加加速度的简化方法对侧边距取值不敏感,反应位移法在角点造成的误差最大。     

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。     

预应力拱架结构地震响应的动力时程分析

以预应力拱架结构为研究对象,运用反应谱法和时程分析法计算了结构在地震作用下的响应,并与相应的静内力作了比较。结果表明,在预应力拱架结构的抗震研究中,需同时考虑水平和竖向地震作用。总结了结构地震响应的规律,为抗震设计提供有利依据。     

软土地区地铁车站结构的非线性地震反应分析

为了明确天津市软土地基对地铁车站的结构地震反应的影响规律,以天津市地铁3号线的昆明路站为工程背景,采用数值模拟分析的方法,研究了该地铁站的地震反应。通过建立二维平面有限元模型,分析了结构抗震薄弱环节及结构抗震性能的影响因素。研究结果表明:天津宁河波作用下结构中柱内力响应明显大于其他构件,且柱底连接处内力幅值最大,为结构抗震薄弱环节;周围土层的弹性模量及上覆土层厚度对结构抗震性能的影响更明显,而结构自身的等效弹性模量对结构抗震性能影响不明显。研究成果丰富了软土地区地铁车站抗震设计理论,对地铁车站的优化设计具有重要意义。     

地下结构地震反应分析拟静力法与动力非线性时程法的比较

以典型的两层三跨地铁地下车站结构为研究对象,采用基于自由场位移场频域等效线性分析结果的反应位移法和反应加速度法分析地下结构的地震弯矩,并与基于ABAQUS软件的地下结构地震反应非线性时程分析的计算结果进行了比较,对比了不同地震动强度、结构刚度及顶板埋深对地下结构地震弯矩的影响。结果表明:输入地震动强度越大,拟静力法与动力非线性时程法计算结果之间的差异越大;地下结构刚度越大,两者之间的差异也越大;中等强度的地震动作用时,相对于动力非线性时程法的计算结果,浅埋结构的拟静力法结果偏大,深埋结构的拟静力法计算结果偏小;反应位移法和反应加速度法的计算结果差异很小。该研究结果对地下结构抗震设计方法的比选具有一定的指导意义。     

超大型冷却塔随机地震响应分析

为全面掌握核电超大型冷却塔的抗震性能,首先进行结构的模态分析,然后采用振型分解反应谱法和弹性时程分析方法,计算结构在多遇地震作用下的响应,并对结构进行考虑材料和几何非线性的动力弹塑性时程分析,得到结构在罕遇地震作用下的响应。由于超大塔支柱跨度达到170m,还首次对结构进行了考虑行波效应的多点激励分析。结果表明:结构前8阶振型以局部振动为主,直到第9阶出现整体倾覆振型。在多遇地震作用下,支柱的最大位移和基底剪力均满足规范要求,且水平地震反应远大于竖向地震反应。在罕遇地震作用下,支撑结构位移角远小于规范限值,出现的塑性铰数量较少,且主要分布在支柱与壳体的连接处。多点输入对支柱内力影响较为不利,而对支柱位移和塔筒内力影响较小,塑性铰出现的数量稍多且破坏程度更加严重。     

盾构隧道横断面地震响应分析

随着盾构法在隧道施工中越来越广泛的应用,盾构隧道横断面抗震性能的研究日益受到业界关注。以武汉长江隧道为例,对土体采用D-P本构模型,盾构隧道结构采用梁-弹簧模型,建立盾构隧道横断面二维模型进行动力有限元计算,该模型顶部采用自由边界,侧面采用自由场边界,底部采用静态边界。选用0.1g的天津波和场地人工波作为激励,研究了盾构隧道结构的加速度、变形和内力响应。结果表明：盾构隧道的拱顶与拱底的加速度响应大于隧道左侧、右侧;隧道拱底的绝对位移响应最大;地震作用对隧道衬砌结构的内力增量较为明显。目前的隧道结构设计可以满足结构抗震性能要求。     

基于柔性节点的高烈度区盾构隧道纵向地震反应减震分析

以某特长超大盾构海底隧道为背景,提出了一种新型的SMA形状记忆合金柔性减震节点。采用基于纵向梁-弹簧模型的反应位移法,研究了该消能减震措施对高烈度区盾构隧道纵向地震反应控制的机理和有效性。结果表明:该柔性减震节点可有效改善土层变化区域接头的张开量,提高整段盾构隧道的抗震性能,且减震节点的集中变形在经历地震后可一定程度上回复原位,确保隧道在地震作用下的安全。     

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.     

强震作用下地铁车站结构损伤破坏的高效分析方法

地下结构的关键构件(如柱子等)在地震作用下可能发生破坏,进而影响结构体系的整体稳定性。在借鉴传统反应位移法的基础上,提出了一种新的位移时程反应分析方法,采用该方法对日本神户大开地铁车站进行地震响应分析。结果表明:位移时程反应分析方法能够考虑土-结构相互作用、材料非线性、几何非线性、水平地震与竖向地震的耦合作用及地震动传播的时空效应,适用于地下结构地震反应分析,利用该方法得出的地铁车站结构变形及损伤破坏与实际震害观察具有较好的一致性,并指出大开地铁车站结构的整体垮塌是由于柱子剪坏和高轴压联合作用所致。     

城市轨道交通大型地下空间结构抗震性能分析

以某城市轨道交通大型地下空间结构工程为背景,研究和分析大型地下空间结构在设防地震和罕遇地震作用下的结构抗震性能。利用MIDAS/GTS大型有限元程序建立三维动力模型,采用时程分析法,获得了结构的变形和内力响应,分析了结构的层间位移差、层间位移角和结构静动力力学特性。基于场地条件下的大型地下空间结构,在设防地震下顶底板处层间位移差最大值为12.00mm,位移角最大值为1/20831/550;在罕遇地震下顶底板处层间位移差最大值为21.82mm,位移角最大值为1/11451/250,总体上满足结构变形要求。研究结果表明:对于大型地下空间结构,在进行结构设计时,除了静力计算工况,应综合考虑抗震工况,开展三维动力时程分析,以便全面掌握其抗震性能;在地震作用下,结构顶板、侧墙和底板等某些部位的内力值较静力计算工况大;大型地下空间主体结构开口处为薄弱环节,应在设计中进行相关加固措施考虑。     

单圆盾构隧道抗震计算的惯性力法

将单圆盾构隧道衬砌结构在地震作用下的动力响应问题,简化为由作用于盾构隧道管片形心的等代地震惯性力与地层抗力组成的受力体系,并据此以计算结构在地震作用下的内力.结果表明,该方法能准确反映单圆盾构隧道在地震作用下的内力最大值,并且简单、实用.     

轮辐式大跨度张拉结构地震反应分析

以世纪莲体育中心大跨度轮辐式张拉索膜结构为研究对象,利用有限元程序ANSYS,分别采用振型分解反应谱法和时程分析方法,计算地震作用下结构的受力性能。研究表明:结构以索膜屋盖竖向振动为主,上压环、下压环及腹杆等均参与了振动,动力特性复杂;地震作用下结构内力和位移较大,不同方向地震作用的危害主次不明显,应同时考虑一维及多维地震组合作用的影响;2种计算方法下,结构的内力和位移变化趋势基本一致,为全面了解结构的动力特性,建议采用时程分析方法。     

地下结构地震反应规范计算方法的对比分析

随着地下空间大规模开发利用,地震灾害对其造成的潜在威胁不容忽视。基于《城市轨道交通结构抗震设计规范(GB50909-2014)》和《地下铁道建筑结构抗震设计规范(DG/TJ08-2064-2009)》建议的分析方法,选取惯性力法、反应位移法(国家规范法、上海规范法)、动力时程方法(线弹性方法、等效线性化方法)三类共5种计算方法,以典型两层双柱三跨地铁车站结构为分析对象进行地震反应的对比验算,对上述计算方法的适应性进行评价。分析结果表明,与动力时程方法相比较,惯性力法计算得到的侧墙剪力值偏大,中柱结果较为接近;对于反应位移法,国家规范方法和上海规范方法的计算模型略有不同,但两者计算结果基本相近,其中土体强制位移、集中地基弹簧、土体动剪切模量等参数取值对计算结果影响显著;对于动力时程方法,线弹性方法和等效线性化方法的结果较为接近,且变化趋势相同。