组合支护结构作用下反倾层状岩质边坡加速度响应振动台试验研究

设计并完成一个1∶30的大比例尺高陡反倾层状岩质边坡的振动台模型试验,坡体内部有6个软弱泥化夹层,研究在组合支护体系作用下EL Centro地震波和汶川-清屏地震波激振下泥化夹层含水量发生变化时边坡的加速度动力响应规律。试验结果表明:(1)坡面X、Z向加速度放大系数均具有非线性高程放大效应,但前者大于后者;(2)泥化夹层含水量的变化对坡面加速度放大效应影响显著,注水后X向减小而Z向增大;(3)支护体系作用下边坡临空面放大效应的现象受限制,预应力锚索抗滑桩以下边坡基本不存在加速度放大效应;边坡分级支护可有效降低X向加速度放大系数的高程增大效应,但对Z向会产生不利作用;(4)边坡的破坏模式为上部受软弱夹层滑动牵引而发生倾倒-拉裂变形,导致顶部框架梁有可能最先发生破坏,且破坏类型可能以绕坡顶为支点向坡体内侧转动,引起上部的锚索产生拔出破坏。     

地震作用下边坡动力响应及影响因素研究

利用ANSYS有限元软件建立了边坡数值模型,并结合汶川地震实例分析了边坡的共振特性、动力响应变化以及地震动三要素对边坡动力响应的影响,对汉源县高烈度异常现象从共振的原因做出了解释。通过分析发现:边坡的共振主要由前5阶固有频率被激发引起,坡体阻尼和地震波频率对共振作用有显著影响。边坡体对输入地震波低频部分存在放大作用,对高频能量具有滤波作用。坡体加速度和位移响应随高程增加而增大,沿水平方向从左至右,位移减小,加速度先增后减。坡体峰值加速度放大系数随频率的增加而减小,随持时变化不明显;坡体位移随振幅和持时增加而增大,随频率增大而减小;弹性范围内,加速度和位移动力响应绝对量随振幅增大呈明显的线性增长关系,而位移、加速度放大系数保持不变;坡面陡坎处动力响应突变效应明显。     

岩层倾角对顺倾向边坡地震效应的影响

利用FLAC3D软件模拟地震作用下不同岩层倾角的顺倾向边坡,对比坡面峰值加速度放大系数、峰值位移、地震作用结束后坡体剪应变增量的变化规律,探讨岩层倾角对顺倾边坡地震效应的影响。研究表明:(1)在水平地震波作用下,坡面水平峰值加速度放大作用随岩层倾角增大而线性减小;(2)当岩层倾角小于软弱岩层内摩擦角时,坡面峰值位移较小且变化规律受岩层倾角影响不明显,当岩层倾角大于软弱岩层内摩擦角且小于30°时坡面峰值位移增大,大于60°时减小;(3)岩层倾角小于坡角时,残余剪应变增量最大值集中在坡面中下部软弱岩层处,反之,剪应变增量最大值出现在整个坡面并呈弧形区。     

层状地基桩柱结构地震响应特性研究

为研究自然地质环境条件下非均质层状地基对结构物地震响应的影响,本文通过层状饱和土的刚度矩阵的建立,对不同夹层条件下的地基地震响应进行了对比研究。研究结果表明:相较于均质土层地基,由于非均质地基土层存在的非连续性界面,非均质夹层能明显影响地基的波动响应特征,对地震波有着显著的选择性滤波作用,尤其在含软夹层地基条件下能极大削弱入射波中的高频成分,而硬夹层则能极大滤除地震波中的低频成分。在对地基地震响应研究的基础上,通过对单桩和群桩码头结构的地震响应的数值模拟,对含夹层地基条件下不同刚度结构地震响应特性进行了对比研究。对比研究表明:对不同刚度的结构物,由于其固有自振频率的差异,不同夹层地基对其地震动力响应存在显著不同的影响规律,由于单桩结构较低的固有频率,使得其对低频波更为敏感,其固有振型在含软夹层地基条件下更容易被激发引起结构共振,而群桩结构则刚好相反,由于其更高的固有频率,在软夹层地基条件下由于高频波的滤除使得结构的地震动力响应显著降低,而在均质或含硬夹层条件下更容易激发其固有振型。通过对不同夹层地基条件下结构地震动力响应规律的研究,可以看出结构的地震动力响应同时受地基夹层条件以及结构自身动力特性的影响,相关研究结论可为非均质地基条件下的结构地震响应研究提供参考。     

含泥化夹层反倾岩质边坡动力响应的大型振动台试验

针对含泥化夹层反倾岩质边坡制作相似比为1∶30的试验模型进行大型振动台试验,研究泥化夹层饱水前(天然含水状态)和饱水状态下边坡的加速度和位移响应规律,探讨边坡的破坏模式。试验结果表明:泥化夹层饱水后坡面水平向加速度放大系数小于饱水前;泥化夹层饱水前和饱水后随着相对高度的增加,坡面水平向加速度放大系数呈现非线性增加的趋势,其整体上大于坡体内部的加速度放大系数;坡面位移从下至上在泥化夹层饱水前,呈现出非线性增长特性;饱水后位移呈先增大后减小,临近坡肩处坡面最大,坡面呈现鼓出形态。泥化夹层饱水前,在幅值为0.3g的地震波作用下坡体仅出现坡肩局部掉块;饱水后,输入地震动幅值≥0.4g时,坡体先出现坡肩的局部掉块,随后坡体沿中上部的饱和泥化夹层滑动剪出,与此同时,坡体中上部出现纵向裂隙并与水平裂隙贯通,坡顶被震碎。     

地震作用下含软弱夹层顺层岩质边坡表面放大效应研究

为了研究地震作用下含软弱夹层顺层岩质边坡表面的放大效应,借用FLAC3D软件,建立了含软弱夹层顺层岩质边坡动力分析数值模型;在合理考虑地震动输入、边界条件、网格划分与模型参数的基础上,分析了地震动峰值、频率、持时以及初动方向等因素影响下的边坡表面放大效应。研究结果表明：①地震动峰值、频率和初动方向对边坡表面放大效应的影响较显著,而地震动持时对边坡表面放大效应的影响微小;②随着地震动峰值的增加,放大效应由软弱夹层之上的坡面及坡顶面向坡肩点逐渐增大,坡肩点的放大效应最大;③当输入地震动频率小于边坡的自振频率时,边坡表面加速度放大倍数较小,且频率越小,放大倍数越小,当输入地震动频率大于边坡的自振频率时,边坡表面加速度放大倍数较大,且频率越大,放大倍数亦越大。     

反倾边坡地震破坏模式及能量判识方法研究

利用大型振动台试验,基于HHT边际谱理论,本文对含软弱夹层反倾岩质边坡地震破坏模式及其能量判识方法进行研究。振动台试验结果表明含软弱夹层反倾岩质边坡的地震破坏模式为中部岩层挤压滑出型。边际谱峰值的变化能清晰地表征边坡内部的震害损伤发展过程,且边际谱的识别结果与试验中坡面位移监测结果吻合较好。振动台试验和能量判识方法表明边坡的破坏过程为:0.1 g和0.2 g地震作用下,边坡未出现震害损伤,边际谱峰值随高程增加近似呈线性增加;0.3 g地震作用下坡顶附近出现震害损伤,坡顶出现局部掉块;0.4 g地震作用下,坡内震害损伤位置发展至相对高度0.295~0.6之间,坡体中部出现水平向微裂隙;0.6 g地震作用时,震害损伤位置进一步向坡脚发展,坡内震害损伤位置发展至相对高度0.295以下,上部坡体(相对高程0.8附近)向坡面方向滑出,坡面出现纵向裂隙,并与水平向裂隙贯通,中部软弱夹层被挤出,坡顶被震碎。边际谱辨识结果显示,边坡坡面附近的震害程度弱于坡体内部。本文的研究对认识含软弱夹层反倾岩质边坡的地震破坏模式具有指导意义。     

基于环境激励的大跨结构动力特性识别

本文以广州国际会展中心一期在环境激励下获得的屋盖5处位置加速度响应时程数据为基础,分别采用随机减量法(RDT)、峰值拾取法(PP)以及频域分解法(FDD)识别结构的前4阶竖向振动模态频率;并采用随机减量法(RDT)获得了前2阶阻尼比。基于有限元分析软件ANSYS,建立结构三维有限元模型,获得了结构前16阶模态频率,并将前4阶整体竖向模态频率与实测结果进行对比。研究表明:(1)RDT法、PP法以及FDD法具有很好的识别结构振动模态频率的功能,且RDT法能有效地识别结构整体阻尼比;(2)有限元数值计算在结构设计初期对识别动力特性上具有较高的精度。     

不同厚度层状边坡动力响应的模型试验研究

采用振动台物理模拟试验方法,以4种不同覆土厚度的层状边坡模型为研究对象,水平输入振幅逐渐增大的正弦波加速度,分析了结构面上覆不同厚度土层对动力作用下边坡的稳定影响.研究了在动力作用下边坡的破坏位置和性质、破坏形式及最危险覆土厚度,验证了坡面放大效应与高程的关系,采用MIDAS/GTS软件对模型试验进行振型分析,分析了模型边坡的自振频率与覆土厚度的变化关系.试验结果表明：①模型破坏时最先出现的裂缝在边坡的中上部,且6 cm覆土厚度的模型对振动的响应最大,对应到实际工程中时12m厚度土层覆盖的边坡是最应该注意防护的.②不同厚度的土层破坏的形式不同：当土层厚度较薄时模型破坏较迅速,基本沿结构面发生整体滑动破坏,且滑动呈现一定的流体特性;当覆土较厚时裂缝先在模型中上部出现,随着振动的持续裂缝继续发展,最后发生整体性崩塌.③随着高程的增加峰值加速度总体呈放大趋势,但最大值出现在边坡中上部而非坡顶,说明不仅均质边坡有加速度的高程放大效应,层状边坡也具有加速度的高程放大效应.     

ANSYS在岩质边坡动力响应分析中的应用

在动力有限元理论的基础上运用ANSYS软件对不同高度和坡度的岩质边坡进行了模态分析和地震加速度时程分析,发现了一些新的动力响应规律和现象。模态分析显示:随坡高的增加边坡的自振频率呈降低的趋势;而坡度变化对其影响则具有相反的规律。通过地震加速度时程分析发现:边坡的位移、速度、加速度反应三量具有相似的响应规律;随坡高的增加坡顶位移时程曲线振幅增大,但达到一定高度时(约200m)则变化较小,同时坡顶处的地震动响应相对于坡脚处出现了明显的滞后现象;坡度增加时坡顶位移呈线性增加的趋势;地震波的衰减效应与边坡对其的放大效应是同时存在的。研究结果对边坡的抗震设计具有一定的借鉴意义。     

弦支穹顶结构动力反应分析

以天津开发区商务中心大堂的弦支穹顶为研究对象,分析了弦支穹顶结构体系的自振特性,分别运用随机模拟风振分析方法和时间历程分析方法,对其进行了风振和地震反应分析,得到了结构在动力荷载作用下的响应时程,并对分析结果进行了频谱分析和统计分析。研究发现弦支穹顶结构的自振频率呈密集型分布,且振型复杂;结构的风振响应基本以受迫振动为主,没有出现明显的峰值共振现象;结构的地震响应在前几阶基频处出现了较为明显的峰值共振现象;从振动的幅值角度看,风荷载的动力作用效应相对于地震荷载要显著。     

System identification of linear structures based on Hilbert–Huang spectral analysis. Part 1: normal modes

Based on the Hilbert–Huang spectral analysis, a method is proposed to identify multi‐degree‐of‐freedom (MDOF) linear systems using measured free vibration time histories. For MDOF systems, the normal modes have been assumed to exist. In this method, the measured response data, which are polluted by noises, are first decomposed into modal responses using the empirical mode decomposition (EMD) approach with intermittency criteria. Then, the Hilbert transform is applied to each modal response to obtain the instantaneous amplitude and phase angle time histories. A linear least‐square fit procedure is proposed to identify the natural frequency and damping ratio from the instantaneous amplitude and phase angle for each modal response. Based on a single measurement of the free vibration time history at one appropriate location, natural frequencies and damping ratios can be identified. When the responses at all degrees of freedom are measured, the mode shapes and the physical mass, damping and stiffness matrices of the structure can be determined. The applications of the proposed method are illustrated using three linear systems with different dynamic characteristics. Numerical simulation results demonstrate that the proposed system identification method yields quite accurate results, and it offers a new and effective tool for the system identification of linear structures in which normal modes exist. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

Study of Shaking Table Test on Dynamic Response Characteristics and Failure Mechanism of the Loess Slope

The natural loess that covers the ground surface has good stability due to its low water content. However, when violent earthquakes occur, the strong dynamic stress generated in the slope may induce landslide disasters with different sizes. In this paper, a large-scale shaking table model test is used to reveal the dynamic response and instability failure process of the loess slope. The test results show that different parts of the slope have different vibration characteristics and the first natural frequency in the model increases with the increase of the slope height. The response acceleration of different parts may change due to the coupling relationship between the spectral characteristics of input wave and the natural frequencies of different parts of slope, suggesting the characteristics of regional differential dynamic response. Under the condition of different dynamic response, stress state and boundary conditions of different parts of slope, a rapid microstructural damage, cumulative residual deformation evolution, and tension-shear coupling instability failure process may appear at the top of the slope with the strong dynamic response associated with the increase of dynamic loading intensity. The S_d values presented in this paper may reflect soil damage and slope instability and failure.     

土层场地的放大作用随深度的变化规律研究——以金银岛岩土台阵为例

为了探究土层场地放大作用的机制,利用金银岛岩土台阵在四次地震中记录的26组弱震动的三分量加速度时程,采用考虑上行波场与下行波场相消干涉作用的传统谱比法,研究了土层场地的放大作用随深度的变化规律.结果表明：（1）地震波从基岩传播到土层中时,土层的多个振型被激励,放大作用随深度的变化是按照不同振型的特征而有规律地变化.自下而上直至地表,一阶振型的场地放大作用是逐渐增大的;二阶振型的场地放大作用经历了逐渐减小和逐渐增大两个过程;三阶振型的场地放大作用经历了逐渐增大、逐渐减小和逐渐增大三个过程;四阶振型的场地放大作用经历了逐渐减小、逐渐增大、逐渐减小和逐渐增大四个过程;更高阶振型的场地放大作用可以据此类推.（2）四次地震中同一振型的NS和EW两个水平分量的自振频率相差很小;二阶到六阶5个振型与一阶振型的自振频率之比小于相应的理论模型之比.（3）四次地震中均存在一些高阶振型的放大系数大于其一阶振型相应分量的放大系数的现象.目前的场地反应分析中,往往将最大放大系数对应的频率作为场地的卓越频率,这么做的结果,很有可能将不同振型的自振频率作为场地的卓越频率,导致同一地震中不同水平分量的卓越频率相差较大,或者在不同地震中同一水平分量的卓越频率差别较大,难以描述场地的固有特性;而按照不同振型分析场地放大作用的特征,可以从本质上揭示场地的固有特性.     

南海北部陆坡稳定性定量分析

随着海洋工程的发展,海底滑坡作为一种潜在的地质灾害逐渐成为人们关注的热点.本文采用二维极限平衡法计算并分析了海底斜坡稳定性问题.通过对斜坡模型在各种条件下安全系数的计算,定量分析了斜坡内在因素(如斜坡角度、主要土力学参数)和主要触发机制(地震、快速堆积等)对安全系数的影响.理论计算表明,静态条件下,均质斜坡角度小于20°时,均处于稳定状态;对于含软弱层的斜坡,快速堆积等引起的不排水状态下斜坡安全系数明显降低,斜坡角度大于14°时就会发生失稳.拟静态条件下,当地震动峰值加速度(PGA)小于0.15g时,对于角度小于20°的均质斜坡处于稳定状态,但PGA大于0.25g时,角度大于13°的斜坡即处于失稳状态;对于含软弱层斜坡,PGA为0.1g时,角度大于10°的斜坡即处于不稳定状态;当PGA大于0.3g时,3°以上的海底斜坡即处于失稳状态,发生海底滑坡.结合南海北部陆坡海底地形、地貌特征,在静态条件下,均处于稳定状态;但在地震加载的拟静态下,根据南海北部地震动峰值加速度分布,台湾浅滩段则处于不稳定状态.这解释了该区域大陆坡折带处海底滑坡广泛发育的原因,也表明了地震是引发南海北部滑坡最主要的触发机制之一.     

The vibrational characteristics of a twelve-storey steel frame building

The Ralph M. Parsons World Headquarters building, a twelve-storey steel frame structure, was subjected to a series of forced vibration tests. The natural frequencies, three-dimensional mode shapes and damping coefficients of nine modes of vibration were determined. Other features of this investigation included the study of non-linearities associated with increasing levels of response, detailed measurements of the deformation of the first floor and the ground surrounding the structure, and measurements of strain in one of the columns of the structure during forced excitation. The dynamic characteristics of the building determined by these tests are compared to those predicted by a finite element model of the structure. The properties of primarily translational modes are predicted reasonably well, but adequate prediction of torsional motions is not obtained. The comparison between measured and predicted strains suggests that estimates of stress determined from finite element analyses of buildings might be within 25 per cent of those experienced by the structure for a known excitation.     

单索面混凝土矮塔斜拉桥的动力特性

以厦门银湖矮塔斜拉桥为例,通过引入拉索自振频率影响度的概念,分析了拉索的存在对矮塔斜拉桥自振特性的影响,探讨了矮塔斜拉桥的自振特性与相应连续梁桥(或刚构桥)的区别;在分析矮塔斜拉桥地震反应的基础上,通过引入振型贡献率的概念,分析了高阶振型对矮塔斜拉桥动力性能的影响;分析了矮塔斜拉桥的振型耦联效应。最后首次较全面地总结了单索面混凝土矮塔斜拉桥的动力特性,对进一步认识矮塔斜拉桥的动力性能有一定的参考意义。     

地下采煤情况下地表黄土边坡稳定性分析

针对近年来我国西北黄土地区地下采煤诱发地表变形,从而导致地表黄土边坡失稳及滑坡问题,使用显式有限元、动力学大变形计算方法以及土动力学基本理论进行分析研究,并提出一种适用于地下动态扰动对地表边坡稳定性影响的分析方法。通过计算分析得知,地下采煤对地表边坡稳定性的影响是一个动态的过程,所提方法具有较高的计算效率,且能够分析边坡的渐进破坏过程。     

重载列车荷载作用下雅丹边坡的动力响应分析

以新建青海省地方铁路鱼卡至一里坪线经过的雅丹地貌为研究对象,选择邻近已建铁路,对不同速度重载列车引起的地面振动进行现场实时测试,从频域和时域两方面分析振动加速度在雅丹场地中的衰减特性。通过地质勘察,建立雅丹边坡的振动分析模型,利用数值模拟分析存在软弱夹层的典型雅丹边坡在不同运行速度下的加速度和位移响应规律,并计算雅丹场地列车振动的安全影响距离。研究结果表明:振动加速度的衰减速率随着距离的增加迅速降低,在距线路中心线2.5～5.5 m处,衰减较快;5.5～15.5 m,衰减趋于平缓;随着距离的增大,振动高频的成分被抑制,频率逐渐向低频移动;雅丹边坡下部的软弱夹层使透射系数锐减,起到了较好隔振作用,上部的软弱夹层隔振效果不明显;以振动速度峰值PPV为振动量评价指标,得到重载列车在70 km/h及以下速度运行时,其对线路振动影响距离为小于6.1 m。