西北地区典型土遗址抗震安全性分析

以我国西北地区全国重点保护文物安西烽燧和河仓城土遗址为实例建立三维有限元模型,计算分析土遗址在地震动荷载作用下的位移场、应力场特征,探讨其动力响应规律,揭示不同类型土遗址的地震破坏机理。结果表明,土遗址现有病害是抗震薄弱环节,在遭受7度地震作用下处于局部破坏或整体不稳定状态。旨在为土遗址文物的科学保护和抗震加固与减灾提供理论基础和实践依据。     

静力作用下夯土遗址根部掏蚀失稳机制实验研究

根部掏蚀是土遗址坍塌的主要因素。关于土遗址掏蚀失稳机理已有众多研究成果,但主要基于数值模拟和理论分析,等比例进行根部掏蚀实验的研究较少。基于夯土遗址掏蚀调查研究,制作1∶1夯土墙体模型,通过墙体根部掏蚀实验和数值模拟对其失稳机制进行研究。实验结果表明:掏蚀深度小于20%时,墙体应力变化很小;掏蚀深度大于20%时,墙体出现偏应力,并且快速增大;掏蚀深度为45%时,墙体发生倾倒破坏。在实验过程中,墙体应力重分布主要发生在掏蚀阶段,掏蚀稳定后应力变化不明显;墙体倾倒破坏过程非常迅速,整体表现为刚性倾倒,从夯层根部层界面拉裂是主要破坏模式,其应力应变特征与数值模拟结果相吻合。研究成果可为夯土遗址根部保护和夯筑支顶加固提供参考依据。     

土遗址文物震害防御及抗震加固对策

概述了土遗址文物的主要病害如风蚀病害、表面风化、雨蚀病害、裂缝或坍塌、基础掏蚀、生物破坏以及人类社会经济活动所产生的不良影响等的特征及成因机制;阐明了建立土遗址文物防灾减灾综合体系的重要性,提出了灾前防御、震时应急和灾后恢复的对策;针对土遗址的特殊性提出了抗震防护加固的原则,分析了其特点,针对不同病害特征的土遗址分别提出了抗震加固方案.为土遗址文物的科学保护和综合防御地震灾害提供了理论基础和工程实践指导.     

土-结构相互作用下的桥墩结构地震响应

为研究土-结构相互作用下的桥墩结构地震响应问题,通过有限元数值模拟方法,利用有限元软件建立1个两跨的钢筋混凝土连续桥模型,采用时程分析法对比分析连续桥模型在不同场地条件下,桥墩结构对2种不同地震波的地震响应。证明了在进行桥墩抗震设计时,土-结构的相互作用是不能忽略的,且起到不利作用。     

轴向力对外露式刚性柱脚抗震性能的影响

为了研究轴向力对外露式刚性柱脚抗震性能的影响并提高外露式柱脚抗震设计的可靠性,文中利用Ansys有限元软件,针对外露式柱脚连接节点的抗震性能进行了数值模拟研究,将有无轴向力作用的两组柱脚试件抗震性能进行对比,分析了其在往复荷载作用下的破坏特征、滞回特性、骨架曲线、延性及耗能指标。根据数值模拟结果,提出水平地震荷载作用下轴向力会加速试件割线刚度的退化,给出一些抗震设计建议,为今后的工程设计和研究提供参考。     

超大型冷却塔结构地震反应分析及试验研究

近年来,随着国家环保战略的要求,我国三北地区正在酝酿建造一批1 000 MW超临界空冷机组,与之相匹配的间接空冷塔结构一般高达200m以上,直径可达180m以上,进风口高度可达30m以上。建设地点多位于南北地震带中北段,地震危险性高,场地条件复杂。其抗震设计必须面对高烈度、土-结构相互作用以及行波效应等难题。而目前国内外关于超大冷却塔结构高烈度抗震设计问题的相关研究资料很少,可参考资料更是罕见。围绕这一问题,本文采用地震模拟振动台试验与有限元数值模拟分析相结合的手段,对超大冷却塔结构的地震破坏机理、土-结构相互作用、行波效应及其隔震可行性等问题进行了研究探讨,主要完成了以下几方面的工作:(1)采用欠人工质量相似理论设计了原型高度为220m,直径为185m的超大冷却塔结构1:30缩尺试验模型。通过地震模拟振动台试验,获得了考虑不同场地条件的不同烈度工况下超大冷却塔模型结构的动力响应、振动特性及其破坏特征,研究揭示了超大型冷却塔结构的地震作用破坏机理,发现超大冷却塔结构下部的X型支柱上下端部、筒壁最薄的塔筒喉部是其地震薄弱部位,为超大冷却塔结构优化抗震设计提供了依据。通过模型结构有限元数值模拟并与试验结果的对比分析,交互验证了有限元数值模型与试验模型的合理性。(2)针对Ⅱ、Ⅲ类场地条件下高大结构实际存在的地基土-结构相互作用效应问题,提出了对设计谱水平地震最大影响系数αmax采用修正系数αs进行调整的方法,以简化超大冷却塔结构抗震设计分析过程。采用粘弹性阻尼单元模拟地基土边界,以某超大冷却塔结构原型为例进行了地基土-结构相互作用分析。通过对比分析是否考虑土-结构相互作用两个模型的结构动力特性及地震反应,给出了Ⅱ、Ⅲ类场地条件下考虑土-结构相互作用时,冷却塔结构的动力反应规律。(3)综合考虑行波效应不利影响,提出了对设计谱水平地震最大影响系数αmax采用修正系数αT调整的方法,以简化超大冷却塔结构抗震分析过程。仍以前述超大冷却塔结构为例,进行了是否考虑土-结构相互作用效应的超大冷却塔结构行波效应对比分析,指出视波速大于1 000m/s的I类场地条件下,超大冷却塔抗震分析可以不考虑行波效应;视波速≤350m/s的Ⅱ~Ⅲ类场地条件下,建议超大冷却塔结构中应对超大冷却塔行波效应给予足够重视。(4)给出了超大冷却塔结构采用橡胶支座基础隔震技术的设计分析方法。本文采用有限元分析方法,对比研究了是否考虑土-结构相互作用、是否考虑行波效应等条件下超大冷却塔结构采用基础隔震的减震效果。以8度抗震设防为例,证明了超大冷却塔结构采取基础隔震措施后,上部结构各关键节点之间的地震反应相对位移、加速度以及X型支柱位移角均能有效降低,可大幅提升超大冷却塔结构的地震安全性。     

G7公路甘肃段爆破施工对土遗址震动影响的检测与分析

近年来土遗址受城市建设和交通施工损害的现象时有发生,对于这些人为因素对遗址的影响缺乏有效的检测与评估手段。本文基于G7高速公路的爆破振动观测,进行质点峰值加速度和峰值速度的衰减分析,开展爆破震动对附近明水军事要塞土遗址震动影响的研究。通过对竖向、水平向的振动加速度和速度的观测和数据分析,得出不同药量条件下,对应相同质点的震动峰值加速度衰减规律。提出了公路爆破附近土遗址震动控制范围和最大药量的施工建议,为爆破附近有土遗址的施工提供了数据支持,相应的结论和建议可以在同类土遗址保护中参考使用。     

存在施工缺陷的框架填充墙抗震构造加固研究

通过对框架填充墙的施工过程进行调研发现,在实际施工过程中,大部分企业并没有按照规范规定的抗震构造措施进行施工。为研究该类结构是否能够满足抗震要求,采用有限元数值计算方法进行了模拟与分析,基于Ansys计算程序,分析了存在施工缺陷的框架填充墙在罕遇地震作用下的裂缝发展及破坏情况,并提出了加固措施;同时对加固后的结构进行了数值模拟分析,并与加固前的模拟结果进行了对比分析。结果表明:存在施工缺陷的框架填充墙结构不能满足"大震不倒"的抗震设防标准,进行加固后,框架填充墙表现出了良好的抗震性能,满足了抗震设防标准。     

嘉峪关典型土遗址裂缝变形气温响应特征研究

裂隙、冲沟、掏蚀、片状剥离等是中国西北地区土遗址发育典型病害,为探求土遗址本体及其赋存环境变化的内在本质规律,开展土遗址变形监测的研究与实践至关重要。以嘉峪关土遗址烽火台裂缝1号、2号为研究对象,通过分析2016年裂缝变形和环境气温监测数据,寻找其响应关系,探索环境气温影响裂缝发育的规律;利用相关性分析、归一化处理数据,结合支持向量机(SVM)机器学习方法对裂缝发展趋势进行预测,为土遗址裂缝发育趋势研究提供理论依据。     

基于ADINA的桩土相互作用分析

基于大型通用数值计算平台ADINA建立三维数值模型,分别结合相互作用三维接触模型和p-y曲线简化分析模型模拟桩土系统在水平荷载作用下的桩顶位移变化规律,计算分析表明:计算结果与实际测量值基本一致,验证了两种建模方式的合理性和正确性。在此基础上进一步对p-y曲线简化分析模型在不同水平荷载作用下的工作性状进行分析,计算结果表明p-y曲线简化分析模型能较好地模拟桩土间的相互作用行为,将其应用到桩基相关抗震设计中能明显减少计算求解消耗。     

干湿循环下含盐量变化对遗址土剪切强度影响的试验研究

中国西北干旱和半干旱地区集中降雨和强烈蒸发的特殊气候环境加剧了对土遗址的破坏。以掺入不同含量Na2SO4和NaCl的重塑土样为研究对象,通过室内模拟开放系统下干湿循环过程,并采用声波测试,反映含盐类遗址土在干湿循环下的劣化过程;测试多次循环后的遗址土剪切强度随含盐量的变化规律,并从盐类性质及波速两方面分析了干湿循环对遗址土剪切强度的作用机理。结果表明:在含水率一定的情况下纵波波速随干湿循环次数的增加而减小;干湿循环后的土体黏聚力随着盐分含量的增加呈下降趋势,内摩擦角则出现先增大后减小的现象;纵波波速与黏聚力随着含盐量的增长整体变化趋势有较好的相关性,与内摩擦角的相关性则表现为纵波波速的间断性和内摩擦角阶段性的契合。     

频率-空间域CPML和特征分析法组合边界研究

在地震波场数值模拟过程中,边界反射是影响其模拟结果的一个重要因素。实际地下介质具有各向异性特征,传统的完全匹配层边界（PML）对于小入射角地震波具有良好效果,但该方法并不能有效地吸收低频波和大角度入射波。针对VTI介质边界反射的问题,本文提出在频率-空间域有限差分法数值模拟中采用卷积完全匹配层（CPML）和特征分析法的组合边界条件,并对该组合边界条件进行数值模拟实验和边界反射吸收效果分析,验证所提方法是一种可靠的人工吸收边界条件,能够有效地压制波场模拟过程中产生的边界反射。      

三维VTI介质qP波方程频率空间域有限差分高阶加权算子

波动方程有限差分法是波场模拟的一个重要方法,为解决常规有限差分法存在着数值频散的问题,本文从具有垂直对称轴的三维横向各向同性(VTI)介质频率-空间域qP波动方程出发,在常规差分算子的基础上构造了适合三维VTI介质的频率空间域有限差分优化算子,然后利用最优化理论中的Gauss-Newton法求解了优化算子的系数,使差分方程的相速度与波动方程的相速度尽量吻合,从而在理论上使网格数值频散达到极小,精度对比分析及数值测试表明,有限差分优化算子具有较高的波场数值模拟精度,有效地压制了数值频散现象,为三维VTI介质频率一空间域qP波正演模拟研究提供了理论基础.     

大型结构地震反应值模拟中的波动输入

解耦的时域有限元数值模拟技术在考虑土－结构相互作用的大型结构地震反应分析中的应用日趋成熟。为完善其中的波动输入技术，本提出 了一种波动输入时步数值模拟的简便方法，替换对自由场的频域计算，从而使结构反应分析可以完全通过时步数值模拟实现。同时，通过数值实现，对这一实施方案的有效性进行了检验。     

VTI介质qP波方程高精度有限差分算子

波动方程有限差分法是一种使用广泛的地震波数值模拟方法.但是有限差分法本身固有存在着数值频散问题，会降低地震波场模拟的精度与分辨率.为了克服常规有限差分算子的数值频散，本文针对VTI介质地震波数值模拟问题，构造了频率-空间域qP波波动方程高精度有限差分优化算子，根据最优化理论中高斯-牛顿法确定了高精度有限差分算子的优化系数.利用常规差分算子和高精度优化差分算子对归一化相速度的频散关系精度进行了对比分析，并对均匀各向同性介质和均匀VTI介质中的qP波地震波场进行了有限差分数值模拟，通过频散关系精度分析和波场数值模拟结果表明：有限差分优化算子具有较高的波场数值模拟精度，有效压制了传统有限差分算子数值模拟中的数值频散现象，提高了有限差分算子精度，为VTI介质频率-空间域qP波正演模拟奠定了基础.     

弹性波CT技术在大足石刻岩体破碎带探测中的应用

大足石刻是中国现存的重要石质文物之一,具有重要的历史和文化价值,其中有的石刻造像曾被列为国家石质文物保护“一号工程”;最近,文物保护部门又启动了对危岩体的加固和防渗工程。为确定大足石刻宝顶山大佛湾岩体中破碎带发育情况,应用跨孔弹性波CT技术对指定位置的工程岩体进行了探测。CT探测得到的岩体弹性波速成像清楚地揭示了两个钻孔之间岩体中破碎带的规模和产状,与岩体所在的区域地质构造应力场作用协调一致,证明了探测成像结果的可靠性,为大佛湾岩体的渗流和稳定性评估提供了依据。      

地震科技发展战略的思考--建议组建地震数值模拟实验室

数值模拟是计算机科学、计算数学与其他各类学科如力学、材料学、工程技术等学科相互交叉渗透且充满活力的研究领域,它与物理、化学实验和理论分析一起成为解决许多重大科学问题和工程技术问题的三大支柱。数值模拟实验室的建设不仅是信息时代的需要,也是开展动力地震预报的关键,必将成为地震科学发展战略的重要组成部分。     

全球气候变化模拟结果数据的远程抽取及其可视化

本文针对气候模式在超大规模数值模拟中产生的Tb至Pb量级的四维体数据的可视化和分析诊断方法, 提出了基于Server-Client方式的远程数据抽取和并行可视化解决方案。 针对气候模拟数据中的海洋模式和大气模式数值模拟结果数据的抽取和可视化数值试验分析, 验证了解决方案的可行性和抽取算法的高效性、 可靠性和灵活性。 本文提出的远程数据抽取方法对于帮助气候模式领域中的专家快速抽取、 快速可视化和实现实时交互式模拟结果的诊断分析具有重要的应用价值。     

晋阳古城遗址考古地球物理特征

晋阳古城遗址历史悠久、面积开阔、文化层叠压错综复杂,地下蕴含丰富,埋藏形式特殊,是一处重要的古文化埋藏区,其考古调查是一项巨大的、长期的系统工程,需要采用传统的考古调查手段与其他先进的科学技术相结合的方法,才能尽快掌握古城遗址分布特点,使古城遗址面貌逐渐清晰起来.由于晋阳古城目标层和目标体尺度范围较宽,从十几厘米到十几米,分辨率也有不同的要求,本文借助先进的地球物理方法,采用高密度电阻率法与探地雷达结合的手段对晋阳古城多处古文化层、古遗迹靶区进行地球物理试验性探测,取得了非常丰富的地球物理特征认识,为传统方法考古提供了大量的有效信息,同时也为今后在晋阳古城遗址应用地球物理探测技术考古研究打下了坚实的基础.