地下结构强制反应位移法和反应加速度法的对比分析

首先基于地震作用下地下结构的变形受周围地基土变形控制这一相互作用特征,在反应位移法的基础上讨论两种简化分析方法:一种是将土层变形施加在模型边界模拟地震作用;另一种是将土层加速度施加到整个模型上模拟地震作用。这两种简化分析方法都避免了反应位移法中弹簧刚度的取值问题,提高了计算效率。其次分析不同地震动强度、不同侧边距的计算结果,并用动力时程分析的计算结果校核,分析两种简化计算方法的精度。结果表明:随着地震动强度的增加两种简化分析方法的计算结果都令人满意,使用强制反应位移法时建议侧边距取两倍结构宽度,使用反应加速度法时建议侧边距取三倍以上结构宽度。     

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。     

峰值速度对单自由度体系地震反应的影响分析

研究了在加速度反应谱与峰值位移不变的条件下,输入地震动峰值速度对单自由度体系动力反应、尤其是弹塑性反应的影响。首先,利用在时域内叠加窄带时程的方法合成加速度反应谱和峰值位移相同,但峰值速度相差1倍的两组人工地震动时程。其次,按照《建筑抗震设计规范》的要求,将合成的输入地震动标定为不同设防烈度区下多遇地震的加速度峰值,进行结构弹性计算,结果表明:输入地震动峰值速度的变化对结构弹性反应基本无影响。然后,将输入地震动标定为相应烈度区下罕遇地震的加速度峰值,并以上述多遇地震下弹性反应的最大变形作为罕遇地震作用下结构弹塑性分析的屈服变形,进而分析输入地震动峰值速度变化对结构弹塑性反应的影响规律。其结果表明,峰值速度的增大将会明显增大中长周期结构弹塑性位移反应和速度反应,且这种放大效应对位移反应尤为显著。这种规律在不同烈度区基本具有一致性,随着烈度增大,输入地震动峰值速度的增大引起的大部分中长周期结构弹塑性位移及速度反应的放大效应减小。因此,在进行结构动力分析时,应充分考虑输入地震动峰值速度变化对计算结果的影响。     

土层时域分析中黏滞阻尼形式的比较

时域分析中采用粘滞阻尼反映小应变条件下土的阻尼特性,瑞雷阻尼则是常用的黏滞阻尼形式。本文基于有限差分方法,构建一组数值计算模型,以实际地震记录作为输入,以不同的土层条件作为分析对象,采用加速度、位移和反应谱指标评价了瑞雷阻尼形式对土层地震反应的影响,并将不同阻尼形式下的计算结果与响嘡台阵真实记录进行了对比分析。计算结果表明:阻尼形式对加速度反应和反应谱的影响显著,对位移反应影响有限,但位移幅值沿土层高度的变化规律较复杂;不同阻尼形式时反应谱短周期段的谱值差别明显,而对反应谱长周期段谱值影响有限;高频地震动激励,深软土层中不同阻尼形式的计算结果离散性大;在确定阻尼形式时要综和考虑土层特征和地震动频谱特性,只考虑土层卓越频率的阻尼形式会低估土层地震反应。对于长周期地震动输入,本文建议目标频率取土层第3阶频率,对于高频地震动,目标频率可取为反应谱峰值对应频率。     

强地震动作用下地铁结构与土脱开滑移的研究

应用反应位移法,有限元反应位移法和有限元动力分析方法,以兵库县南部地震的Port-Island观测波形作为地震动输入,对某给定地质条件下的浅埋箱型地铁结构进行了不考虑结构与土脱开滑移和考虑结构与土脱开滑移的两种情况的计算,通过计算可以了解到一般箱型结构与上脱开,滑移的位置和范围,计算结果表明,抗震设计时,在强地震作用下,结构与土的脱开,滑移作用考虑与否,对结构变形和断面力计算值的影响很大。     

地下结构地震作用的简化分析方法研究

随着地下结构建设的飞速发展,地下结构工程师不仅面临众多的地下结构静力设计问题,同时也面临着抗震设计问题。目前,利用大型商业软件对地下结构的动力时程分析及模型试验研究已开展较多,但其研究成果还较难应用于实际的地下结构抗震设计之中。同时,我国抗震设计规范还处于研究、发展阶段。因此,建立一套便于工程应用的简化抗震设计方法是十分必要的。本文首先从地下结构拟静力解析解方面着手,采用弹性解析解的方法探讨了自由场变形与地下结构变形之间的相互关系;然后,采用数值模拟的方法,对自由场与地下结构的动力反应特性进行了系统研究,提出了地下结构简化设计方法的基本思路,在此基础上,基于子结构法分别对反应位移法、静力有限元法进行了理论推导及方法改进;最后,介绍了地下结构弹塑性分析方法,并对地下结构拟静力实验进行了数值模拟。本文主要研究工作及研究成果如下:(1)基于解析解的自由场与地下结构变形拟静力关系研究。基于平面弹性复变函数理论分别对圆形地下结构和矩形地下结构进行拟静力解析求解,明确了地下结构拟静力解析求解的基本方法。同时,对Wang、Penzien、Bobet、Park和Huo的方法进行了系统分析,并探讨了接触条件和泊松比对地下结构变形系数的影响。(2)自由场与土-地下结构散射场关系研究。采用数值模拟的方法,研究了在P波和S波作用下,含地下结构散射场及相应的自由场的动力反应,对比分析了地下结构顶板与底板相对位移及自由场相应位置处相对位移最大时刻对应的加速度、应力等动力特征及整个时程的最大值的特征规律。通过这些动力特征分析,找出自由场与土-地下结构散射场二者的动力特性之间的联系,并以此探讨了地下结构简化抗震设计方法的可行性及研究方法。(3)反应位移法理论推导及改进。基于子结构法对反应位移法的原理进行了理论推导,提出了地基弹簧系数的多种求解方法并对地震荷载(剪应力、土层位移差等效荷载以及惯性力)的求解方法进行改进,通过算例对改进的反应位移法与规范中的反应位移法和整体动力时程分析方法进行对比分析,验证了改进反应位移法的实用性。(4)静力有限元法理论推导及改进。基于子结构方法对静力有限元方法进行了理论推导,对现有的静力有限元方法(强制边界位移法、反应加速度法、反应应力法)进行了对比研究,提出了静力有限元计算模型,并验证了该方法的实用性。(5)地下结构弹塑性简化分析方法。采用地基刚度衰减的方法,对规范中反应位移法、改进反应位移法以及静力有限元法在土体弹塑性条件下的计算结果与动力时程方法进行对比,验证了这3种方法在土体弹塑性条件下的计算精度。同时,采用数值模拟的方法,模拟了地下结构拟静力条件下的弹塑性反应。     

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。     

龙头山集镇局部场地地震动效应分析

依据龙头山集镇6个典型场地上的钻探资料及土体的动力非线性特性试验数据,分别建立了相应场地的地震反应分析模型。以幅值折半的龙头山镇强震动台站（053LLT）东西向主震加速度记录作为入射地震动,采用一维土层地震反应分析等效线性化方法计算了场地地震反应,讨论了近地表覆盖土层结构对地震动加速度峰值及反应谱的影响,并对场地效应与震害的关系进行了分析。      

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。     

土-结构相互作用效应对结构基底地震动影响的试验研究

利用土与结构动力相互作用振动台模型试验数据,通过各种试验工况下土层表面与基础表面加速度反应的比较,深入探讨了土与结构动力相互作用效应对高层建筑结构基底地震动的影响。从输入地震动频谱特性、输入地震动强度水平和上部结构动力特性3个方面详细分析了与SSI效应对高层建筑基底震动影响程度有关的一些因素。结果表明：SSI效应对高层建筑基底地震动的影响与输入地震波的动力特性有很大关系。在地震动的频谱成分方面,SSI效应对高层建筑基底地震动的影响主要体现为土层表面和基础表面在与输入地震动卓越频率相近处的频谱成分有较大差异;SSI效应对高层建筑基底地震动的影响程度随着输入加速度峰值水平的增加而减小;在某一特定地震波作用下,当上部结构的振动频率与地震地面运动的卓越频率相近时,SSI效应对高层建筑基底地震动的影响较为强烈。     

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。     

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。     

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.     

地震荷载下土层变形等级预测方法研究

以计算结果可靠的土层反应结果为基础数据,基于随机森林算法（Random Forest,简称“RF”）,建立地震动、场地土层参数特征量与土层变形特征的关系,提出一种依据常规地震动和场地土层参数为特征量的地震荷载下土层变形等级预测新方法,给出了典型场地土体发生大应变的地震动阈值。结果表明:基于RF模型对土体的变形程度预测结果较为理想,各项评价指标始终保持一个较高水平;对于软土、中硬土及硬土场地,输入地震动分别大于0.05 g、0.15 g及0.19 g时,将产生大应变。同时,本文方法可在不进行土层地震反应数值模拟的情况下,得到场地各土层的剪应变等级,为强地震作用下土体实际力学状态的界定和认识提供新的分析手段,而且也可为地下结构抗震设计问题提供指导和参考。     

关于土层地震反应分析中阻尼矩阵建模方式的讨论

阻尼矩阵的选择对土层时域内地震反应计算的准确性有重要意义。本文构造了质量比例阻尼、刚度比例阻尼、Rayleigh阻尼、Caughey阻尼和Clough阻尼矩阵,研究各阻尼对土层地震反应分析精度的影响。以苏通大桥5号桥塔基础处的工程场地为例,分别以人工合成基岩波,Northridge波、Parkfield波和汶川波为输入,得到不同阻尼模型下土层的地震反应,结果表明Clough阻尼在计算精度和误差稳定性上要优于其他阻尼模型,针对Clough阻尼的不足之处提出了改进方法,算例表明改进后的Clough阻尼能在保证计算精度的前提下减少计算机的存储量和计算量。     

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。     

瑞利阻尼对砂土场地非线性地震响应的影响分析

在地震荷载作用下,自由场地会产生土体侧向变形和地表响应放大现象。由于土体的高度非线性,计算自由场地地震响应时,不同的阻尼比及剪切模量取值是造成其计算结果与试验结果相差较大的原因之一。目前动力计算常采用瑞利阻尼方法,其系数取值会在一定程度上影响计算结果。选用两模态简化瑞利阻尼系数计算方法,分析土体阻尼比及控制频率的取值对计算结果的影响,对比离心机模型试验,利用开源有限元平台OpenSees,采用适合于土体动力分析的多屈服面本构模型(PDMY),建立剪切梁模型模拟三维自由场地,并分析瑞利阻尼参数对自由场地地震响应和侧向变形计算结果的影响。结果表明,针对相对密度为60%的Nevada干砂,阻尼比为4%、控制频率比为5时,场地响应计算结果与试验结果较为符合。综合分析显示场地非线性响应时域计算时,应特别注意选用的瑞利阻尼参数值。     

考虑各向异性的层土-盾构隧道地震反应数值模拟

在层状各向异性土体-盾构隧道地震反应分析中,引入了横观各向同性弹塑性模型理论,建立了适合于横观各向同性介质的双渐近-多向透射边界条件。针对地铁区间盾构隧道抗震设计的特点,基于横观各向同性弹塑性模型,研制了考虑层状土体各向异性和施工开挖效应,适合于盾构隧道动力计算的各向异性弹塑性动力有限元程序。在程序中对于不同的材料采用了不同的本构关系和不同的单元形式,并采用了关联流动法则和多种屈服准则,可同时进行各向异性土体与地下结构的二维平面应力、平面应变和轴对称问题的静力和动力数值分析。最后利用所研制的程序进行了上海地铁二号线石门一路站附近区间隧道在不同超越概率地震动输入下的隧道反应计算。结果表明,在层状土体-地铁区间隧道的抗震分析中考虑土体各向异性的影响是必要的,所提出的计算模型是可行的。     

天津地区覆盖层土动力学参数统计分析

收集天津地区近年来有代表性的具有完整土动力学参数作为实验数据的地震安全性评价报告66份,用两种统计方法按不同深度统计分析粉质黏土、黏土、粉土、砂土、淤泥质土等的实测土动力学参数,给出动剪切模量比和阻尼比平均值。选取2个典型工程场地,构建土层分析模型,进行土层地震反应分析计算。结果表明,本文得到的统计2值在天津地区具有一定的代表性和适用性,与实测值结果更为接近。对于获得原状土样困难的场地,特别是对于较薄的夹层土,可参照统计2结果进行分析计算。