变截面地铁地下车站三维地震反应特性数值模拟

基于ABAQUS软件的96CPU显式有限元并行计算集群平台,建立地基土—变截面地铁地下车站结构体系三维非线性地震反应分析有限元模型,数值模拟Kobe地震记录、Mex地震记录和100年超越概率3%的南京人工地震波作用下,软弱地基上变截面地铁地下车站结构地震反应特性。结果表明:地下结构上部土层地表处峰值加速度小于不含地下结构土层表面峰值加速度;地震动作用下模型地基呈现出显著的低频聚集(放大)、高频滤波效应;地震动在穿越地下结构时,出现散射等复杂传播行为。变截面地下结构(上宽下窄型)的下层结构地震响应大于上层结构,下层结构中柱的应力峰值大于楼板和侧墙的应力峰值,侧墙的应力峰值大于楼板的应力峰值。上层结构中柱的应力峰值最大,变截面处侧墙应力峰值次之,楼板应力峰值最小。输入地震动的峰值加速度和频谱特性对地下车站结构的地震反应均有很大影响;地下车站结构的地震反应具有明显的空间效应。     

地铁车站与隧道连接处地震响应分析

结构截面刚度突变处是地下结构抗震的薄弱部位,为研究地铁车站与隧道连接处的地震响应,本文建立有限差分数值模型,分析地震作用下车站与隧道连接处的薄弱部位、连接处附近的侧墙变形分布特征以及地表沉降分布特征,重点探究埋深、地震动特征以及周围土体刚度对连接处隧道应力的影响。结果表明:连接处端墙底部跨中、端墙洞口的顶部和底部是抗震的薄弱部位;连接处端墙存在对侧墙变形分布、地表沉降分布有一定影响;结构埋深,地震动频谱、幅值对连接处隧道应力响应有较大影响,结构周围土体的刚度在一定范围内对连接处隧道应力有较大影响。     

地震动入射角度对地下结构地震响应的影响

考虑土-结构接触面效应和场地初始静应力影响,基于大型商用有限元软件ANSYS和粘弹性人工边界条件,采用动力松弛法的分析思路,建立了一种地震动斜入射条件下地下结构的接触非线性动力反应分析模型和方法,并讨论了地震动入射角度对地下结构动力反应的影响。结果表明：地震波斜入射使得结构的整体反应发生明显变化;随着入射角度的增加,节点的水平向应力反应明显增大,竖向应力峰值较小,增大程度也相对较小;节点的位移峰值随输入加速度峰值的增大也有一定的变化。因此,在分析近源地震作用下的地下结构动力响应时,需要考虑地震动的非一致输入问题。     

场地局部效应对地下管线的影响

将实际地震动看作非平稳随机过程,地震动不仅具有时域非平稳性,而且具有频域非平稳性。SMART-1台阵地震记录分析结果已证实,地震时地面上各点在同一时刻的地震动时变自功率谱存在一定的差异。时变自功率谱的差异对地下连续管线的影响还不十分清楚。利用随机振动理论中的虚拟激励法计算了均匀介质中地下连续管线纵向和横向的地震响应,给出了场地局部效应对均匀介质中地下连续管线的影响。分析结果表明,场地局部效应对均匀介质中地下连续管线地震反应的影响很小。因此,实际计算时可忽略场地局部效应。     

城市地下变电站非线性地震反应分析

为研究城市地下变电站结构及其内部电气设备的动力特性及地震反应规律,以西安市快速轨道交通二号线张家堡地下变电站为工程背景,依据黏弹性人工边界理论及有限单元法,建立考虑土体-结构-设备动力相互作用的三维有限元计算模型,首先通过半空间自由场模型验证了地震动输入方法的有效性,继而开展地下变电站系统的模态分析和动力时程分析,得到了该类结构的动力特性及地震响应规律。研究结果表明,结构上覆土体及电气设备在地震作用下产生的惯性力是结构构件应力增长的主要原因,8度罕遇地震作用下地下变电站内电气设备的加速度放大系数明显超出规范要求,需要采取相应保护措施。     

考虑多维地震动及重力作用的土层场地地震反应分析模型

合理有效的工程场地自由场分析是开展地下结构地震反应计算、发展地下结构实用抗震分析方法的前提。目前常用的自由场分析方法多局限于单向地震动输入，难以考虑多向地震动共同作用时的非线性耦合效应。鉴于此，提出一种考虑水平和竖向地震动及重力荷载共同作用的土层地震反应分析力学模型，该模型采用捆绑约束条件作为侧面边界条件，采用基于黏性边界的地震动输入方法将输入地震动转化为等效地震荷载，可实现自由场计算中水平和竖向地震动以及重力荷载的同时施加，简化了计算步骤，减少了计算成本。此外，该方法考虑了水平和竖向地震荷载的叠加效应，对于考虑材料非线性及大变形影响的土层场地地震反应分析具有更为良好的计算精度与适用性。     

考虑失效相关性的埋设管网系统地震可靠性分析

<正>城市范围内的埋地管线,结构属性相似,所处的场地环境和可能遭受的地震荷载存在很大的相关性,地震作用下不同管线结构的失效破坏存在相关性。提出一种考虑管线失效相关性的埋设管网地震连通可靠性随机模拟方法,以空间距离表示管线位置处地震动参数的相关系数,采用震害率统计公式求解管线地震破坏概率,通过联合分布与边缘分布的关系得到管线结构失效事件的相关系数。将管线结构地震破坏事件视为相关随机变量,采用正交变换方法将相关随机变量转变为独立随机变量,进行Monte Carlo随机模拟     

地震波作用下地下管道试验的数值模拟方法

以模型试验几何尺寸建立有限元数值模拟模型,全面给出了地下管道地震动作用的三维有限元建模及分析研究的主要步骤,建立柔-柔接触面来反映管-土相互作用,利用拉格朗日乘子法求解接触效应;通过ANSYS和MATLAB的交互使用,对土体四周及底部定义的粘弹性边界实现能量辐射,减小边界效应;考虑试验模型与实际模型的比例,对原始地震波加速度时程曲线进行缩尺处理,模拟得到的管道响应规律与试验结果吻合较好,表明该数值模型是合理的。在此基础上讨论了管道在地震波作用下的位移、加速度和应力的动力响应,并提出了相关实用的工程建议,为地下管线等长线型地下结构的地震响应理论分析提供参考。     

高速铁路车-桥耦合体系地震响应分析

为了研究车桥耦合体系在地震作用下的响应,采用有限元方法,在现有有限元模型基础上,建立了更为精细的高速铁路车-桥耦合模型,计算了车桥体系的动力特性及典型地震动输入下的反应。同时还建立了单桥有限元模型,比较了单桥模型和车桥耦合模型的自振特性和地震响应的差异,得到了桥面加速度反应放大系数。结果表明:在给定的典型地震动作用下,车桥耦合模型地震响应放大系数与单桥模型有较大差异,同时输入地震动频谱特性对桥面地震加速度响应有显著影响。     

随机有限断层法模拟中强地震近场地震动的研究及应用

核工程是对地震安全性要求极高的工程,在其工程场地地震危险性评价工作中,弥散地震地震动估计往往对厂址设计基准地震动具有关键性影响。然而,弥散地震不是由特定构造引起的,因此,评定其地震影响时会遇到较大困难。常规方法是采用适当的衰减关系来计算工程场地震级5.0和5.5的弥散地震在距离厂址5 km处的地震动参数。本文针对核电厂地震危险性评价需求,探讨弥散地震评价的新方法,即通过随机有限断层法来模拟中强地震近场地震动参数。通过参数敏感性分析技术筛选了对拟合结果有决定性影响的关键模型参数;研究并改善了有限断层模型拟合中强地震模型应力降参数的方法,并基于多个国家和地区中强地震近场加速度记录估算了应力降参数值;此外,通过建立中强地震类属模型来模拟特定震级-距离的地震动,从而对经验统计方法进行补充和验证。(1)详细研究了模拟地震动时程的随机有限断层法以及近年来对该方法的改进,改进后的随机有限断层法适合模拟中强地震。(2)对随机有限断层法模拟中强地震近场强震动的参数影响情况进行了分析。将随机有限断层法应用于中强地震时,由于震源信息的准确性较差从而使模型参数具有较大的不确定性。为此,本文首先比较了不同场地方位角中强地震近场地震动的时程和平均拟加速度反应谱(PSA),并定量分析了模型主要参数对中强地震近场地震动模拟结果的参数敏感性。结果表明:不同场地方位角的中强地震近场PSA在短周期部分差别较大;应力降是模型最重要的参数,它对反应谱短周期部分影响最大;几何扩散系数对PSA的整体影响也较为明显。将随机有限断层方法应用到工程安全性评价工作时,应当重点关注对反应谱短周期部分影响较大的应力降和该区域的几何扩散系数,同时要调查该区域优势场地方位角的分布,从而更合理地控制中强地震近场强震动的模拟。(3)开展了中强地震模型应力降参数值的估算。基于美国小头骨山(Little Skull Mountain)MW5.6地震两个近场台站记录的地震动模拟,详细研究并改善了采用随机有限断层法拟合中强地震地震动拟加速度反应谱(PSA)来确定应力降参数值的方法。结果表明:采用不同频段反应谱残差和计算得到的应力降值差别较大,确定中强地震应力降较为合适的反应谱频段是中高频,采用该频段确定的应力降参数值模拟的反应谱和峰值加速度与实际记录较为符合。基于该方法并根据美国西部、日本、意大利以及汶川等国家和地区的浅源中强地震近场加速度时程记录,估算了相应的模型子断层应力降参数值。结果表明:各个国家和地区计算得到的中强地震随机有限断层模型应力降参数具有地区差异性;模拟的峰值加速度大致上正确反映了实际记录PGA的衰减规律,并且模拟结果在近场随距离的衰减较快,这可能与计算所使用的中强地震高频成分丰富有关。(4)针对中强地震震源及路径参数难以准确确定的情况,提出了通过建立随机有限断层类属模型参数来考虑随机不确定性,从而进行中强地震近场地震动模拟的方法,即在考虑区域特定参数、选择具有代表性的震源参数的同时,考虑关键参数随机不确定性,开展大量模拟计算。完成了对核电厂工程弥散地震地震动参数评价的工程应用分析。对模拟PGA的统计结果表明:考虑核电厂弥散地震时,MS5.0地震震中距5 km处0.15g的峰值加速度是合适的;MS5.5地震震中距5 km处0.2g的峰值加速度是合适的;MS6.0地震震中距5 km处0.3g的峰值加速度是合适的。该结果为现有弥散地震地震动评价提供了验证信息。模拟PSA统计结果与衰减关系PSA的比较表明,模拟的平均PSA大致上是保守的,可以作为随机有限断层法模拟结果的推荐反应谱。     

Nonlinear stochastic seismic analysis of buried pipeline systems

In this paper, a nonlinear stochastic seismic analysis program for buried pipeline systems is developed on the basis of a probability density evolution method (PDEM). A finite element model of buried pipeline systems subjected to seismic wave propagation is established. The pipelines in this model are simulated by 2D beam elements. The soil surrounding the pipelines is simulated by nonlinear distributed springs and linear distributed springs along the axial and horizontal directions, respectively. The joints between the segmented pipes are simulated by nonlinear concentrated springs. Thereafter, by considering the basic random variables of ground motion and soil, the PDEM is employed to capture the stochastic seismic responses of pipeline systems. Meanwhile, a physically based method is employed to simulate the random ground motion field for the area where the pipeline systems are located. Finally, a numerical example is investigated to validate the proposed program.     

埋深对地铁车站地震反应的影响分析

关于埋深对地下结构地震反应的影响的研究对象多见于地下隧道,对地铁车站地震反应受埋深影响变化规律缺乏深入研究。本文基于ANSYS有限元软件,采用改进的简化方法建立三种不同埋深的地铁车站结构有限元模型,以两种基岩波的水平向和竖向地震动作为激励,求解各模型中地铁车站结构重要部位的地震反应。分析不同埋深时地铁车站结构惯性作用、侧面土体和上部土体三个因素对地铁车站地震反应的影响情况。分析结果表明:在双向地震作用下,地铁车站侧壁弯矩、剪力、轴力和中柱轴力随埋深的增加而增加,中柱剪力和弯矩随埋深增加而减少。埋深越深,侧面土体对地铁车站地震反应影响越大;上部土体使中柱轴力不断增加;结构自身的惯性作用对其地震反应的贡献逐渐减小。     

Seismic wave propagation effects on buried segmented pipelines

This paper deals with seismic wave propagation effects on buried segmented pipelines. A finite element model is developed for estimating the axial pipe strain and relative joint displacement of segmented pipelines. The model accounts for the effects of peak ground strain, shear transfer between soil and pipeline, axial stiffness of the pipeline, joint characteristics of the pipeline, and variability of the joint capacity and stiffness. For engineering applications, simplified analytical equations are developed for estimating the maximum pipe strain and relative joint displacement. The finite element and analytical solutions show that the segmented pipeline is relatively flexible with respect to ground deformation induced by seismic waves and deforms together with the ground. The ground strain within each pipe segmental length is shared by the joint displacement and pipe barrel strain. When the maximum ground strain is higher than 0.001, the pipe barrel strain is relatively small and can be ignored. The relative joint displacement of the segmented pipeline is mainly affected by the variability of the joint pullout capacity and accumulates at locally weak joints.     

地震断层作用下的埋地管道等效分析模型

地震作用下,活动断层附近的埋地管道易发生强度屈服、局部屈曲或整体失稳等形式的破坏,建立准确、高效的埋地管道在断层作用下的计算模型,对管道的抗震设计和震后安全状态评估具有重要的实用价值。本文采用非线性弹簧模拟远离断层处埋地管道的反应,基于管土之间小变形段管道处于强化阶段,提出一种改进的管土等效分析模型,进一步减小了管土之间大变形段的分析长度,从而提高了有限元分析效率。该模型采用ALA推荐的方法计算管土间的滑动摩擦力,可以考虑土体种类的影响;用Kennedy方法确定管道的计算长度。通过与精确模型比较,验证了管土等效模型的合理性和有效性。     

利用GRNN方法分析地下管道抗震性能影响因素的敏感性

通过对地震动作用下地下管道最大轴向应力和多种影响因素的分析,基于广义回归神经网络（GRNN）建立了地下管道地震反应预测模型。在此基础之上,将正交表试验设计理论、效用函数理论与神经网络结合起来对地下管道抗震性能影响因素进行敏感性分析,并给出了敏感性分析的具体算法。最后,通过实例分析,将分析结果与用传统理论分析所得结果进行比较,结果显示,该方法不仅可靠,而且简单方便。     

Centrifuge modeling of buried continuous pipelines subjected to normal faulting

Seismic ground faulting is the greatest hazard for continuous buried pipelines.Over the years,researchers have attempted to understand pipeline behavior mostly via numerical modeling such as the finite element method.The lack of well-documented field case histories of pipeline failure from seismic ground faulting and the cost and complicated facilities needed for full-scale experimental simulation mean that a centrifuge-based method to determine the behavior of pipelines subjected to faulting is best to verify numerical approaches.This paper presents results from three centrifuge tests designed to investigate continuous buried steel pipeline behavior subjected to normal faulting.The experimental setup and procedure are described and the recorded axial and bending strains induced in a pipeline are presented and compared to those obtained via analytical methods.The influence of factors such as faulting offset,burial depth and pipe diameter on the axial and bending strains of pipes and on ground soil failure and pipeline deformation patterns are also investigated.Finally,the tensile rupture of a pipeline due to normal faulting is investigated.     

随机地震动场多点激励下大跨度桥梁地震反应分析方法

地震输入问题一直是工程结构抗震研究关注的焦点。对大跨度桥梁结构，考虑随机地震动场的多点激励而进行地震反应分析较为合理。本文结合大跨度桥梁抗震设计，系统地介绍了随机地震动场的模型以及随机地震动场多点激励下大跨度桥梁地震反应分析的方法。     

液化土中输流管道的竖向地震响应研究

砂土液化是埋地管道遭受地震破坏的主要原因之一。液化土对管道产生上浮力,使管道发生上浮反应,它是随地震发生时间而变化的动态过程。将地震载荷作用下的液化区埋土管道模拟成两端弹性支承的直梁模型,考虑管-土间的相互作用和管内流体与管道之间的流固耦合作用,采用模态叠加法对液化区埋地管道进行地震响应的动态分析,探讨了管道和液化土参数对管道动态上浮反应的影响。通过数值仿真得到了管内流体的流速、流体压力、流体密度、管截面轴向力,管道黏弹系数、液化土容重和相对弹簧系数、地震加速度幅值等因素对管道上浮位移的影响情况。     

Shaking table test and numerical simulation of an isolated cylindrical latticed shell under multiple-support excitations

In order to study the influence of the ground motion spatial effect on the seismic response of large span spatial structures with isolation bearings, a single-layer cylindrical latticed shell scale model with a similarity ratio of 1/10 was constructed. An earthquake simulation shaking table test on the response under multiple-support excitations was performed with the high-position seismic isolation method using high damping rubber(HDR) bearings. Small-amplitude sinusoidal waves and seismic wave records with various spectral characteristics were applied to the model. The dynamic characteristics of the model and the seismic isolation effect on it were analyzed at varying apparent wave velocities, namely infinitely great, 1000 m/s, 500 m/s and 250 m/s. Besides, numerical simulations were carried out by Matlab software. According to the comparison results, the numerical results agreed well with the experimental data. Moreover, the results showed that the latticed shell roof exhibited a translational motion as a rigid body after the installation of the HDR bearings with a much lower natural frequency, higher damping ratio and only 1/2～1/8 of the acceleration response peak values. Meanwhile, the structural responses and the bearing deformations at the output end of the seismic waves were greatly increased under multiple-support excitations.