地震SV波斜入射下沉管隧道的地震响应分析

在ABAQUS黏弹性人工边界时域波动方法的基础上,首先运用等效应力输入方法实现地震SV波倾斜入射,半空间算例验证该方法具有较好的计算精度,进而基于所建立的斜入射方法研究地震波斜入射对海河沉管隧道地震响应的影响。计算结果表明:SV波斜入射情况下,沉管隧道的地震响应规律与垂直入射时具有明显差异;随入射角增加,沉管隧道结构应力增大,应力较大点出现在沉管隧道的四个角点及隔墙与底板、顶板的连接处,其中中隔墙为最薄弱点;随入射角增加,侧墙和隔墙的相对最大水平位移增大,其中中隔墙位移最大;随入射角增加,沉管隧道结构竖向加速度峰值明显增大。因此在沉管隧道结构抗震设计中应考虑地震波斜入射的影响。     

SV波斜入射下Nam Ngum 5拱坝-库水-地基系统的地震响应分析

基于黏弹性人工边界与相应地震动输入方法,推导了任意角度下三维SV波斜入射时的等效节点荷载,构建了考虑地震波斜入射的三维黏弹性静-动力统一人工边界,探究了三维情况下混凝土拱坝在地震波斜入射时的地震动响应,应用于Nam Ngum 5重力拱坝-库水-地基系统的地震响应分析中。研究结果表明：当SV波斜入射角度逐渐增大时,坝体关键点的顺河向位移、主应力以及动水压力峰值均呈现逐渐增大的趋势,横河向位移呈现逐渐减小的趋势;其中25°与0°入射相比,坝顶点顺河向位移从0增加至0.15 m,横河向位移影响较小仅减小0.011 m;坝踵点、坝趾点主应力与斜入射角度存在明显差异,当入射角度为25°时,主拉应力与主压应力峰值相较于垂直入射分别增加了1.41 MPa与3 MPa;坝踵处动水压力峰值也在入射角度为25°时达到最大为0.33 MPa与-0.29 MPa;需要在类似实际工程设计中应考虑地震波斜入射的影响。     

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。     

大连湾海底沉管隧道南岸段及风塔结构抗震分析

为研究大连湾海底沉管隧道南岸段及风塔结构在地震作用下的内力规律及弹塑性阶段的损伤破坏特点,建立沉管-厂房-风塔三维精细化模型,采用ABAQUS自带的混凝土损伤本构模型,通过振型分解反应谱法及时程分析法开展两种地震工况下结构的地震响应分析。结果表明：(1)在设防地震作用下,X向和Y向位移最大值分别为1.11 mm和5.56 mm,均出现在结构通风塔顶端;(2)X方向和Y方向的振型参与质量系数分别为90.52%和92.07%,均满足抗震规范要求,且沉管隧道两车道连接部位的弯矩最大,为5 069 kN·m;(3)在罕遇地震下,结构最大层间位移角为1/2 798,结构的损伤最大值均发生地震波峰值时刻;由损伤情况可以看出,结构的混凝土均未出现压坏的现象,最大拉伸损伤系数为0.893～0.94,出现的部位为新风道及新风机房的顶板。因此,需要在沉管隧道两车道连接部位增强抗弯能力,在新风道及新风机房的顶板部位增加配筋,以增强抗拉能力。     

SV波斜入射时双线并行地铁隧道横截面地震响应分析

SV波以大角度斜入射时,场地伴随更大的竖向地震作用,这很可能使得地铁隧道地震响应特点异于小角度斜入射情况。基于粘弹性人工边界理论,采用频域刚度矩阵法计算任意角度斜入射SV波的地震动输入等效节点力,通过ABAQUS有限元软件建立自由场模型,验证了0°、30°、40°和50°斜入射SV波地震动输入的准确性;在此基础上建立任意角度斜入射SV波作用下的地下双线并行圆形地铁隧道地震响应分析数值模型,从场地类别、隧道埋深和双隧道间距等方面分析SV波入射角度对隧道结构横断面地震响应的影响。研究表明:入射角度0°及略大于SV波临界角的入射角度是浅埋圆形地铁隧道结构抗震的最不利角度,尤其对于Ⅱ类场地,若仅在临界角以内研究衬砌结构的地震响应,将显著低估衬砌结构的动力响应;此外,隧道埋深对衬砌动弯矩、动轴力峰值具有显著影响,这种影响与场地类别密切相关;Ⅱ类和Ⅲ类场地中小隧道间距条件下隧道间的动力相互作用对衬砌结构动力响应具有一定的增大效应,而Ⅳ类场地中可忽略隧道间的动力相互作用对衬砌结构动力响应所产生的影响。     

地震P波斜入射下入射角度对海底沉管隧道结构动力响应的影响

基于粘弹性人工边界条件理论,将地震动输入转化为作用于人工边界的等效荷载来实现波动的输入,利用有限元软件ADINA建立了海水-沉管隧道-海床的整体分析模型,在模型的海水与海床的交界面处设置流固耦合边界来考虑海水与海床的流固耦合动力反应,分析了地震P波斜入射作用下,不同入射角度对沉管隧道结构的动力响应的影响。结果表明:地震动的入射角度对海底沉管隧道结构的动力反应影响很大,而且入射角在某个范围内,水平向和竖向地震响应有着不同的影响程度;随着入射角度不断增大,结构在竖向的动力响应明显减小,而在水平向的动力响应是先增大后减小。因此,对海底沉管隧道进行抗震设计分析时,应该考虑地震动斜入射对结构动力响应的影响。     

层状围岩隧道交叉结构地震方向敏感性分析

依托某层状围岩深埋铁路隧道工程,以主线单线隧道与横通道正交结构为研究对象,通过ABAQUS建立有限元分析模型.选取12条地震波数据,模拟基岩SV波地震作用,调整地震动峰值加速度和地震动入射方向,对研究结构随地震动输入方向的敏感性进行分析.研究分析得到:二次衬砌在地震入射角度为30°～45°时对地震动方向变化敏感性较低,...     

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。     

地震作用下巷道破坏模拟和实验对比分析

基于工程结构波动及结构动力学理论,建立煤矿采空区岩层的动力学方程,将小型室内相似振动台实验结合ANSYS有限元数值计算,对比分析巷道的地震动力破坏特征。研究发现:在地震作用下,在拱形和圆形巷道的几何中心水平线正负45°区域以及拱形巷道底角处的剪应力、主应力最显著,而在拱形巷道的两底角及顶板处易产生破坏,圆形巷道的顶板产生了裂纹,圆形巷道的最大主应力及剪应力分布偏向右侧;拱形巷道最大主应力偏向右侧,剪应力呈对称分布,拱形巷道的两底角及顶板易产生破坏。在巷道的抗震设计中,可对巷道受力薄弱处加强加固和采取抗震措施,提高巷道的抗震性能。     

水深对水下地基场地地震动影响的时域分析

利用地震波斜入射下水下地基场地地震动分析的一维化时域算法,推导了平面P波入射下,水下地基场地的位移、加速度和应力表达式,重点分析了水深变化对位移峰值、加速度峰值、剪应力峰值和孔隙水压力峰值沿土层深度的分布规律。数值结果表明:同一土层深度处,当水深不超过1倍的土厚时,竖向位移峰值随水深的增大而增大;当水深超过1倍的土厚时,竖向位移峰值随水深的增大而减小。水平位移峰值与水深的关系基本上与竖向位移峰值相反。同一水深下,竖向位移峰值沿土深不断减小,水平位移峰值呈先减小后增加的趋势。同一水深下,竖向加速度峰值沿土深是一个不断减小的过程,水平位移峰值是一个反复增大和减小的过程。在0.75倍的土厚到基岩的范围外,水深对剪应力峰值的影响均较小。孔隙水压力峰值沿土深的分布大致是先减小再增加最后减小。     

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。     

A comparative analysis of seismic response of shallow buried underground structure under incident P,SV and Rayleigh waves

In this study, A time-domain seismic response analysis method and a calculation model of the underground structure that can realize the input of seismic P, SV and Rayleigh waves are established, based on the viscoelastic artificial boundary elements and the boundary substructure method for seismic wave input. After verifying the calculation accuracy, a comparative study on seismic response of a shallow-buried, double-deck, double-span subway station structure under incident P, SV and Rayleigh waves is conducted. The research results show that there are certain differences in the cross-sectional internal force distribution characteristics of underground structures under different types of seismic waves. The research results show that there are certain differences in the internal force distribution characteristics of underground structures under different types of seismic waves. At the bottom of the side wall, the top and bottom of the center pillar of the underground structure, the section bending moments of the underground structure under the incidences of SV wave and Rayleigh wave are relatively close, and are significantly larger than the calculation result under the incidence of P wave. At the center of the side wall and the top floor of the structure, the peak value of the cross-sectional internal force under the incident Rayleigh wave is larger than the calculation result under SV wave. In addition, the floor of the underground structure under Rayleigh waves vibrates in both the horizontal and vertical directions, and the magnification effect in the vertical direction is more significant. Considering that the current seismic research of underground structures mainly considers the effect of body waves such as the shear waves, sufficient attention should be paid to the incidence of Rayleigh waves in the future seismic design of shallow underground structures.     

基岩倾角对盆地地震响应的影响分析

为了研究盆地基岩倾角对盆地地表动力反应的影响,选取了一个跨度2 km,深度500 m的二维成层盆地为研究对象进行有限元动力反应分析。以持时0.25 s的狄拉克脉冲作为输入地震动,探讨了P波和SV波垂直入射时,盆地基岩倾角从10°\,20°\,30°\,40°依次增加的情况下盆地地震反应。结果表明:入射波在倾斜基岩处发生波型转化,同时产生面波,在盆地中心区域发生汇聚;随着基岩倾角的增加地表中心处的卓越频率有减小的趋势。     

引洮供水总干渠增湿黄土隧洞的动力特性分析

为了得到增湿后黄土围岩隧洞在地震作用下的动力特性, 基于初始弹性模量和抗剪强度指标与含水量的关系, 采用时程分析法, 对增湿情况下的黄土围岩-隧洞结构进行地震动力分析. 数值计算结果表明: 随着含水量的增加, 隧洞衬砌各部位主应力绝对值减小, 自振圆频率减小, 自振周期相应增大; 与输入的地震加速度峰值相比, 当黄土隧洞围岩含水量小于临界含水量时, 隧洞顶部加速度峰值大于输入地震加速度峰值, 大于临界含水量时则出现相反的结果; 同一含水量下, 隧洞衬砌对称部位最大、 最小主应力交替出现, 使隧洞衬砌材料发生疲劳损伤, 是隧洞衬砌破坏的主要原因. 本文研究结果可以为在不同含水量情况下黄土围岩-隧洞结构的抗震分析提供参考.      

SV波斜入射时不同水体模拟方法下超高水头船闸地震反应分析

基于黏弹性人工边界的地震动斜入射方法模拟平面SV波不同角度入射情况,分别采用声固耦合法和附加质量法模拟闸室内水体,研究超高水头船闸闸室位移、应力和塑性损伤等地震反应,对比两种水体模拟方法计算结果的异同。结果表明:(1)整体上,两种方法计算得出的左、右闸墙地震反应结果随入射角度变化的规律基本一致;左闸墙受拉损伤的最大值均出现在入射角15°时,右闸墙受拉损伤的最大值均出现在入射角35°时;地震波入射角度对超高水头船闸动力响应影响较大,设计时应考虑地震波斜入射的影响。(2)当入射角较大时,采用声固耦合法计算的闸墙相对位移极值、主应力极值和受拉损伤结果偏保守的概率更大,对超高水头船闸结构设计来说更为安全。(3)建议两种计算方法相互参考和校核,推荐采用偏安全的结果进行超高水头船闸结构设计。     

双向地震耦合作用下浅埋偏压黄土隧道共振特性研究

历次震害表明隧道等地下结构受地震影响较大,当地震动的卓越频率与结构的固有频率一致时,引发的共振会对结构产生更严重的破坏。针对共振这一地震中的特殊现象,通过ANSYS分析研究浅埋偏压黄土隧道在双向地震耦合作用下隧道衬砌各处的共振响应和围岩至衬砌段共振响应峰值的变化规律,同时考虑偏压角度和断面最大跨径对共振响应峰值的影响。研究结果表明：浅埋偏压黄土隧道具有多阶固有频率,衬砌的位移和应力均出现了共振现象且共振不表现出结构的自振频率特征;从围岩至衬砌段的共振响应具有放大效应;水平位移峰值随偏压角度的增大而减小;适当增大断面最大跨径对于抵抗共振是有利的;拱腰和拱脚处的主应力受共振影响较大,在隧道的抗震设计中应予以加强。     

2012年江苏高邮、宝应交界MS4.9地震发震断层参数测定

基于一维单侧有限移动震源模式,根据地震波传播过程中的多普勒效应,分别利用P波和S波拐角频率的方位变化,反演2012年7月20日江苏高邮、宝应交界MS4.9地震的发震断层面参数。P波和S波拐角频率的反演结果一致显示:本次地震的断层面破裂方向为232°左右,破裂面呈NE-SW向;地震马赫数v/c为0.2左右,平均破裂速度小于S波速度,破裂长度较短,为0.2~0.3km左右。破裂面方位与震源机制解、宏观烈度调查和余震精定位的研究结果具有一致性,结合震区周边的地质构造背景,分析认为滁河断裂很可能是高邮、宝应交界MS4.9地震的发震构造。     

Behaviour of deep immersed tunnel under combined normal fault rupture deformation and subsequent seismic shaking

Immersed tunnels are particularly sensitive to tensile and compressive deformations such as those imposed by a normal seismogenic fault rupturing underneath, and those generated by the dynamic response due to seismic waves. The paper investigates the response of a future 70 m deep immersed tunnel to the consecutive action of a major normal fault rupturing in an earthquake occurring in the basement rock underneath the tunnel, and a subsequent strong excitation from a different large-magnitude seismic event that may occur years later. Non-linear finite elements model the quasi-static fault rupture propagation through the thick soil deposit overlying the bedrock and the ensuing interaction of the rupture with the immersed tunnel. It is shown that despite imposed bedrock offset of 2 m, net tension or excessive compression between tunnel segments could be avoided with a suitable design of the joint gaskets. Then, the already deformed (“injured”) structure is subjected to strong asynchronous seismic shaking. The thick-walled tunnel is modelled as a 3-D massive flexural beam connected to the soil through properly-calibrated nonlinear interaction springs and dashpots, the supports of which are subjected to the free-field acceleration time histories. The latter, obtained with 1-D wave propagation analysis, are then modified to account for wave passage effects. The joints between tunnel segments are modeled with special non-linear hyper-elastic elements, properly accounting for their 7-bar longitudinal hydrostatic pre-stressing. Sliding is captured with special gap elements. The effect of segment length and joint properties is explored parametrically. A fascinating conclusion emerges in all analysed cases for the joints between segments that were differentially deformed after the quasi-static fault rupture: upon subsequent very strong seismic shaking, overstressed joints de-compress and understressed joints re-compress—a “healing” process that leads to a more uniform deformation profile along the tunnel. This is particularly beneficial for the precariously de-compressed joint gaskets. Hence, the safety of the immersed tunnel improves with “subsequent” strong seismic shaking!