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。     

用于地下结构地震反应分析的改进反应加速度法

为考虑结构的存在对反应加速度法中地震输入荷载的影响,基于《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB 50909—2014）中的反应加速度法,提出将土-结构模型转换为自由场模型的等效方式进行地震反应分析。采用等效自由场进行地震输入荷载计算,近似地考虑了结构的存在对地震输入荷载的影响,以期提高反应加速度法的计算精度。使用有限元软件ABAQUS,采用改进前后反应加速度法对日本大开车站不同工况下的地震反应进行计算。研究结果表明,采用等效自由场计算的地震输入荷载有效提高了反应加速度法的计算精度。在验证等效方式有效性的基础上,分析等效模型宽度的选取对反应加速度法计算结果的影响,建议等效模型边界至结构侧边的距离取为1～3倍结构宽度。     

基于改进反应位移法的盾构隧道横向抗震规律研究

在地震动作用下,小间距盾构隧道夹土层区域的动力反应影响结构的内力与变形,而反应位移法未考虑夹土层弹簧参数的变化,本文针对这一误差来源,提出了改进反应位移法。一方面在反应位移法合理内容的基础上完善计算模型,另一方面通过数值计算将改进反应位移法与动力时程法进行对比分析,并拟合理论模型对改进的方法进行修正。结果表明,两种算法下结构的地震响应规律一致;间距d≥8m时,结构地震动反应变化不明显,可按反应位移法计算;理论模型提高了改进反应位移法计算结果的精度。     

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。     

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。     

含软弱夹层场地中地下结构抗震分析的反应位移法误差分析

反应位移法是《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB 50909—2014)和《地下结构抗震设计标准》(GB/T51336—2018)在均质场地或简单成层场地中推荐使用的地下结构抗震简化分析方法,对于软弱夹层场地中其适用性有待商榷。本文基于ABAQUS有限元分析软件,构造了一般成层场地和含软弱夹层场地,采用土-地下结构整体动力时程分析方法获得了不同工况下地下结构的地震反应。以此为基准,评价分析了反应位移法在含软弱夹层场地中的适用性。结果表明：较一般成层场地而言,含软弱夹层场地中反应位移法所得出的结构反应与动力时程分析方法相比误差更大,在含软弱夹层场地中反应位移法适用性显著降低;从地基弹簧、土层剪力和结构惯性力三方面分析了误差产生的原因,给出了含软弱夹层场地中可使用整体式反应位移法提高计算精度的建议。     

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。     

爆炸波土层动力响应对比分析

以人工爆炸波为震源,通过现场测试获取基岩及土层的地震动参数,并采用等效线性化分析方法计算相应的地震动参数用于与实测结果进行对比分析。峰值加速度对比结果表明,等效线性化分析方法对于Ⅱ类场地的适应性较好,计算结果与实测结果非常接近,而Ⅲ类场地的计算结果与实测值之间存在较大的误差。加速度反应谱的对比结果表明,无论是计算结果还是实测记录,加速度反应谱的峰值均比基岩输入的要大,且土层反应计算的结果小于实际记录;加速度反应谱的宽度与场地类别关系密切,Ⅲ类场地明显比Ⅱ类场地要大,两类场地的计算结果也均小于实测值。     

土层对地震的随机反应分析

利用随机振动理论,本文研究了非均匀土层对地震的动力反应问题,假定土层的剪切模量随深度呈指数函数形式分布,关于基岩输入地震动加速度的功率谱密度函数,考虑了两种形式：白噪声谱和有色谱,为了比较起见,文中考虑了均匀土层的情形,数值计算表明;（１）在基岩输入地震动加速度的功率谱密度为白谱的情况下,土层的最大期望反应（相对位移,绝对加速度,剪应变）大于基岩输入地震动的功率谱为有色谱的情形;（２）在土层的上部     

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。     

盾构隧道纵向地震响应简化动力有限元法分析（英文）

本文重点关注对盾构隧道的纵向地震响应分析方法的研究,提出了一种简化的动力有限元分析方法。这种方法采纳了响应位移法的一些基本思想,采用和响应位移法一样的环梁和土弹簧模型,但采用动力有限元法来评估地基地震动,而摒弃了响应位移法中采用的地基振动为谐波形式的假定。与响应位移法相比,简化动力有限元法能够提高地基震动的计算精度,从而提高结构响应的计算精度;而与三维连续模型相比,新方法的计算规模小得多,从而能够大幅提高计算效率。然后,本文分别采用相应位移法和新提出的简化动力有限元法,对武汉长江隧道盾构段隧道进行了纵向地震响应分析,并对这2种方法计算结果的差异进行了分析。     

某框架结构基础隔震地震反应对比分析

基于结构动力学原理和有限元基本理论,利用SAP2000有限元分析软件,以某框架结构基础隔震楼和与其相近的非隔震楼为研究对象分别建立分析模型,运用动力时程分析法对两种模型进行水平地震反应分析。结果表明:基础隔震楼的水平向地震反应远小于非隔震楼,其上部结构的自振周期明显大于非隔震楼,其层间剪力和基底剪力、楼层相对位移和加速度低于非隔震楼。总体来说,隔震支座可以显著降低水平向地震对于结构的不良反应,值得推广应用。     

An improved pseudo-static method for seismic resistant design of underground structures

This paper describes a commonly used pseudo-static method in seismic resistant design of the cross section of underground structures. Based on dynamic theory and the vibration characteristics of underground structures, the sources of errors when using this method are analyzed. The traditional seismic motion loading approach is replaced by a method in which a one-dimensional soil layer response stress is differentiated and then converted into seismic live loads. To validate the improved method, a comparison of analytical results is conducted for internal forces under earthquake shaking of a typical shallow embedded box-shaped subway station structure using four methods： the response displacement method, finite element response acceleration method, the finite element dynamic analysis method and the improved pseudo-static calculation method. It is shown that the improved finite element pseudo-static method proposed in this paper provides an effective tool for the seismic design of underground structures. The evaluation yields results close to those obtained by the finite element dynamic analysis method, and shows that the improved finite element pseudo-static method provides a higher degree of precision.     

波浪作用对单柱式桥墩地震反应特性的影响

以ABAQUS有限元软件为计算平台,建立了考虑波浪作用影响的单柱式桥墩-桩-土体系非线性地震反应分析二维有限元模型,土体以四节点实体单元离散,采用土体粘塑性记忆型嵌套面本构模型描述土的动力特性;桥墩以及桩以两节点梁单元离散,采用动塑性损伤模型描述混凝土的动力特性;根据Stokes五阶波浪理论,将基于Morison公式计算所得的波浪力以分布力的形式施加于桥墩之上,比较了静水条件下和考虑波浪作用时不同地震动激励下单柱式桥墩结构的地震反应特性,结果表明:波浪作用的影响使桥墩墩身相对墩底的位移反应、桥墩墩底的剪力和弯矩反应有较明显的增大,但对桥墩墩身加速度反应的影响可忽略不计,波浪作用影响的大小与输入地震动特性有关.在单柱式桥墩的抗震设计中考虑波浪作用的影响是必要的。     

预应力混凝土圆形储煤筒仓地震反应分析

使用ANSYS软件对一大直径预应力混凝土圆形储煤筒仓结构建立了有限元模型,以储料质量沿高度分布不变为原则,采用施加质量单元的方法模拟储料的分布,通过对预应力混凝土筒仓进行地震作用下的受力、变形分析,研究了预应力混凝土筒仓结构的受力性能及整体抗震性能,同时分析了筒仓结构地震作用简化计算方法的可行性.分析结果表明,水平地震作用对筒仓预应力结构部分的环向力无显著影响,预应力筒仓结构具有良好的抗侧力性能;同时,在结构基本振型指数选取合理时,采用底部剪力法估算筒仓水平地震作用是可行的.所得结果可为同类筒仓结构的地震反应分析提供参考.     

基于传力路径的平面不规则RC框架结构减震设计

针对平面不规则RC框架结构,从构件安全层次出发提出基于传力路径的减震设计方法。首先根据广义结构刚度法的基本原理计算结构中所有构件的重要性系数,再假定消能支撑的截面参数,取每层最重要的构件位置布置支撑,经支撑在最不利地震组合下的轴力验算后确定支撑的最终设计参数和数量,然后考虑远场、近场有脉冲以及近场无脉冲地震动从双向输入对结构响应的影响,对减震前、后结构分别进行动力时程分析。分析结果表明,利用此方法优化布置支撑能为结构中重要构件提供有效保护,且在小、中、大震下消能支撑均能运作良好,使整体结构响应得到很好地控制。     

地铁车站的强地震反应分析及设计地震动参数研究

进行了地铁地下车站的地震反应分析,探讨了地铁车站地震反应的主要影响因素,介绍了地面与基岩间峰值相对位移的确定及其在地下结构抗震设计中的应用,初步研究了地铁车站埋深对结构地震反应的影响。分析结果表明,地震引起的地基变形是影响地下结构动力反应的决定性因素,结构峰值变形反应与自由场峰值变形反应之间近似存在简单的线性关系;相对于设计基本地震加速度,地面与基岩间峰值相对位移(PGRD)对于地下结构抗震分析及设计是一种更为合理的设计地震动参数。     

岩溶场地地表地震动特性研究

对典型岩溶场地进行土层地震反应分析,并与非岩溶场地土层的地震反应进行对比,研究岩溶场地地表地震动的基本特性,为岩溶区工程场地地震动参数的确定提供参考。实例研究表明:与非岩溶场地的土层地震反应相比,岩溶场地土层对地震波的放大效应较强,地表地震动的频率偏高;当岩溶场地中发育有土洞时,地表地震动加速度峰值比不含土洞的岩溶场地要大。