地震激发的刚性块体惯性水动力系数经验公式

以深水桥梁的高桩承台为背景,采用Fluent软件建立圆断面和矩形断面刚性柱体的计算模型,采用数值模拟方法,研究了地震作用下水中刚性块体的动水压力问题。对于圆断面刚性柱体,将其地震动水压力表达为与Morison方程相同的数学形式,采用最小二乘拟合方法得到惯性力系数,并且定量计算出惯性力部分占合压力的比例,从而研究了影响圆断面刚性柱体地震动水压力的主要因素,进而建立了简单的统计公式。对于矩形断面刚性柱体,我们通过与圆断面的情况进行类比,并给出了矩形断面刚性柱体动水压力与运动角度的关系。     

考虑流固耦合的桥墩地震反应方法

跨海桥梁地震反应中,作用于桥墩上的动水压力具有明显的流固耦合特征。依据张量理论,推导时变区域散度变换关系及微分形式的几何守恒律;基于任意拉格朗日一欧拉描述,从采用欧拉描述的流体运动Navier—Stokes方程出发,推导时变区域的流体运动控制方程;给出流固耦合问题中的结构计算模型、耦合面接触条件、耦合场计算方法以及流场网格运动控制方法。以某跨海大桥为例说明桥墩地震反应方法,重点突出地震动输入、流场初始条件模拟等问题。计算结果表明：流固耦合理论能够模拟桥梁墩台地震反应中的流场和结构特性;流场初始条件的正确模拟可保证计算稳定性,并减少运算量;横向地震动激励下,桥墩基底剪力较大,纵向地震动激励下,结构运动剧烈;流固耦合系统中的线弹性结构在地震反应中具有明显的非线性特征。     

椭圆形柱体地震动水压力的简化分析方法

首先,文章基于辐射波浪理论,在椭圆坐标系下采用分离变量法推导了水中椭圆形柱体地震动水压力的解析解。之后,采用有限元方法建立了地震作用下水与结构相互作用的动力方程,方程中水体对结构的作用为一满阵的附加质量矩阵。满阵的附加质量矩阵难以在商业有限元中实现,因此提出了集中的附加质量矩阵方法,其中结构柔性引起的附加质量为集中附加质量矩阵和修正系数的乘积,该修正系数与无量纲参数宽深比和长短轴比相关。最后,通过曲线拟合,提出了刚性椭圆柱体动水力的均布附加量简化公式,该简化公式是无量纲参数宽深比和长短轴比的函数。     

超声模拟在地震动研究中的应用及展望

地震动研究是抗震工作中不可缺少的中间环节。物理模拟按相似原理将地质体缩小为模型,能随时了解地震动过程,可以作为强震观测和计算分析的桥梁,有其独特的作用。超声模拟从波传播的角度研究地震动,既可研究一定范围的地震动分布,也可研究一个场点的地震动过程;既可以简化某些条件、突出主要矛盾,进行单因素的对比研究,也可将各种条件囊括在一个模型上综合研究。从而,超声模拟可以较深入全面地了解震源、传播途径和场地条件诸因素对地震动的影响,是进行地震动物理模拟的理想方法,有很大的发展潜力和良好的应用前景。     

基于动水及桩-土-结构相互作用的斜拉桥地震响应分析

为了得到更为符合实际情况的跨江大桥动力稳定性的地震反应分析,在桥梁抗震研究中必须综合考虑动水及桩–土–结构的相互作用。基于此,结合某斜拉桥,采用基于Morison方程的动水力简便计算方法来模拟水对桥梁下部结构的动水压力,通过大型有限元程序Midas/Civil分别建立了没有考虑动水及桩土效应和考虑动水及桩土效应2种情形下的计算模型,通过输入El Centro波分析了动水及桩土效应对斜拉桥结构动力特性和地震反应的影响。分析表明:动水及桩土效应对斜拉桥动力特性和地震反应的影响较大,因此在对跨江斜拉桥结构进行抗震分析时,应考虑动水及桩土效应对其动力反应的影响。     

承台几何参数对高桩承台地震动水效应的影响

传统方法在计算承台动水效应时无法全面考虑承台复杂几何参数的影响,这往往会造成计算结果与实际情况之间的差异.本文采用基于势流体理论的数值模拟方法,建立了考虑结构-水相互作用承台动力特性分析模型,通过对矩形承台及带复杂倒角的承台大量的参数分析,研究了承台振动频率、倒角、几何尺寸,及入水深度对承台地震动水附加质量的影响.研究发现:承台自振频率会影响承台的附加质量,但其影响较小;承台长宽比或厚度的增加都会增大承台的附加质量;同时,承台倒角形式和大小对承台附加质量有明显影响,忽略倒角的影响,将放大承台的动水效应;承台入水深度的增加会引起承台动水附加质量的增大,但深度超过一定范围后,附加质量基本保持稳定.     

动水力作用时矩形空心墩刚构桥地震响应分析

建立红河大桥的三维有限元模型,采用Morison方程法将水对桥墩的影响转化为附加质量的形式考虑。对比了2种工况下桥梁的自振特性,并结合《公路桥梁抗震设计细则》中的有关规定,进行该桥的反应谱分析以及时程反应分析。分析与讨论了不同地震动输入条件下,动水力对该桥墩地震动响应的影响程度。结果表明水的存在会改变结构动力特性和地震动响应。因此在进行抗震设计时考虑动水压力的作用是非常必要的。     

大震近场地震动数值模拟的不确定性研究

地震动数值模拟是研究地震发生、发展特征和规律性的基础研究,涉及震源、传播路径、场地三方面的一系列基本问题。研究结果可以直接用于强地震动基本参数的标定和地震动的工程预测以及地震危险性分析,是防震减灾中一项很重要的基础工作。当前考虑断层模型中的几个重要震源参数模拟未来地震动成为热点。例如,不管是随机有限断层方法,还是经验格林函数方法,都特别重视震源参数的选取,但当前对于强地面运动的数值模拟大多是对已发生地震的反演,反演所需的震源参数多是根据地震发生后的观测资料、经验关系推断或者人为的假定得到的。地震动特征预测的好坏,关键也在于震源参数的选取是否可靠,针对工程应用,对未来近断层地面运动的预测应当考虑参数选取的不确定性。强震动数值模拟方法已经比较成熟,比如随机有限断层法、经验格林函数法、混合方法等。但这些模拟地震动的方法多是确定性方法,对模拟过程中各个环节的不确定性因素考虑较少,尤其是断层震源参数的选取都是精确的数值,模拟结果自然不能综合表征未来地震发生时的地震动特征。另外一种地震动特性表征形式是利用地震动预测方程来表现参数的衰减关系,但是预测方程也会受观测数据、模型选取、随机因素的影响,不确定性无法避免。在地震动预测中每个步骤都带有很大的不确定性,主要包括认知的不确定性和随机的不确定性。震源模型的建立依赖各种专家的观点和意见,这种观点和意见往往相互差别很大,有很大的人为不确定性。地震资料的完整性、可靠性,以及理论模型等的建立也会造成很大的不确定性。因此,本论文的研究内容重点在预测未来大震近场地震动时震源环节的不确定性因素,系统地研究影响大震近场地震动数值模拟不确定性的影响因素,以期建立描述影响大震近场地震动数值模拟不确定性影响因素的模型,并将考虑不确定性因素的震源模型应用在破坏性大地震的地震动特征预测中去。针对地震发生时震源参数具有的随机不确定性,通过统计学方法得到震源参数间的经验关系。同时由于地球内部的不可入性以及观测技术手段的限制,地震震源模型还存在很多的认知不确定性因素,我们采用逻辑树方法处理认知不确定性因素,引入强震生成区的概念,重点分析Asperity的认知不确定性因素并在此基础上建立Asperity震源模型,取多种方案结果的最优值作为地震动的预测结果。论文具体的研究内容有以下5点:(1)在Hiroe Miyake工作的基础上,用经验格林函数法模拟了1997年日本九州鹿儿岛县的MJMA6.5地震,验证了经验格林函数法模拟强地面运动的有效性。数据使用的是日本K-NET强震台站数据。选择此次地震以及用日本K-NET数据的原因是日本的地震记录比较丰富,台站收集到的地震记录质量相对较好。同时分析了地震动模拟值中在工程领域使用较多的参数,表明模拟结果较好地反映了真实的地震动记录。证明经验格林函数预测未来强地震动是切实可行的。(2)本论文在大量地震记录及文献调研的基础上,运用统计学方法,通过统计回归分析得到地震密集区域震源参数间的经验关系,重点统计了包含龙门山断裂带在内的中国西南地区震源参数间的经验关系。为了得到更加适应于中国大陆区域的局部震源参数的经验关系,我们将地震样本局限在一定的区域内,缩小统计区域的范围,同时得到多个Asperity等局部震源参数的经验关系。(3)研究和分析各不确定性因素对地震动结果的影响程度对提高地震动预测的可靠性和准确性意义重大。本论文以2016年发生的日本熊本7.3级地震为例,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。未来地震动预测时会考虑在这几个不确定性因素中加入更高的权重,以提高地震动预测的可信度和准确性。(4)基于汶川地震资料,研究分析Asperity的认知不确定性对地震动预测的影响,运用逻辑树方法建立了考虑不确定性因素的Asperity震源模型。采用Hiroe Miyake提出的强震生成区的概念,将Asperity区域等同于强震生成区域,主要从Asperity的面积、数量、应力降、上升时间等方面进行了认知不确定性的分析研究,得到了针对强震的可能性较大的Asperity的面积和数量的最佳搭配形式。本文的创新点将概率地震危险性分析中不确定性因素的处理方法应用到未来大震近场地震动数值模拟中去。随机不确定性因素用统计学方法处理,认知不确定性用逻辑树方法处理。模拟结果能更好地表征未来大震近场的地震动特征,地震动参数的模拟结果在未来抗震设防及灾害预防中会有更好、更高的参考价值。考虑不确定性因素预测未来破坏性大地震,从而定量地评价发生地震时近场地面运动的综合特征,为防震减灾提供科学的依据,为工程设计决策提供参考依据。     

海域地震动研究现状分析

海域地震动是海洋工程建设必须考虑的因素,近年来学者们对海域地震动做了大量研究,这些研究涵盖海域地震动的各方面。为总结对海域地震动特性的研究成果并分析存在的问题,分类阐述了不同学者对海域地震的研究结果。根据采用的研究方法可分为解析方法、数值模拟方法和统计方法。在此基础上,归纳了不同研究方法得出的海域地震动场地影响与传播规律的结论:解析方法与数值方法得出的结论侧重于分析海域地震动受海水、淤泥沉积层与地形等场地条件的影响;统计方法得出的结论集中在海域地震动与陆地地震动在地震动特性与传播规律方面的差异,这些结论可以为采用相同方法的研究提供参考。最后,对当前研究中存在的问题进行探讨,由于数据相对匮乏,导致缺少对海域地震动与陆域地震动差异的定量分析,也缺少对海域地震动不确定性的分析。     

型钢混凝土异形柱框架非线性地震反应分析

为研究型钢混凝土(SRC)异形柱框架在输入地震动作用下的非线性反应,采用Opensees平台建立有限元模型进行数值模拟。经试验结果和Sap2000计算结果的验证,Opensees的计算结果较为合理。根据计算结果,给出SRC异形柱框架在El Centro波、Taft波和兰州波作用下的位移、加速度、基底剪力等时程曲线,并对其进行了分析。结果表明,SRC异形柱框架在地震作用下的变形整体上呈剪切型,位移曲线沿高度呈倒三角分布;随着输入地震动加速度峰值的增大,SRC异形柱框架的加速度反应动力放大系数逐渐减小,基底剪力的增长速度为先快后慢。     

强震动台站周边地面建筑物对观测结果的影响分析

强震动观测是获取地震地面运动最基本的手段,但其观测质量会受到观测台站周边环境的影响。本文针对不同场地条件的观测台站和附近不同高度建筑物,开展建筑物对观测场地地震动影响的模拟分析,探讨其对强震动观测的影响规律。基于ABAQUS有限元分析软件以及粘弹性边界方法,建立了8个场地-建筑物体系计算模型,分别考虑了4种不同剪切波速的场地和4种不同层数的框架结构建筑物,计算分析了建筑物高度、观测点与建筑之间的距离对强震动观测及场地土波速变化的影响。结果表明:强震动台站附近地面建筑物的存在对观测结果将产生明显的影响,近距离建筑物影响的相对误差可高达20%以上;建筑物高度的变化并没有明显改变其影响程度和影响较大的地震动周期范围,但较高建筑物的影响程度会随距离增加衰减速度减慢;场地土越软,周边建筑物对观测带来的影响越大。建议:对于较软弱场地（土层平均剪切波速低至210m/s）,强震动台站避让建筑物的距离应不小于40m,对于较坚硬场地（土层平均剪切波速大于250m/s）,强震动台站避让建筑物的距离应不小于25m。同时还认为,如果强震动观测要求较高精度,需进一步增加避让距离,且应具体考虑建筑物高度等因素的影响。     

物理地震危险性分析中的地震动模拟方法研究进展

随着计算机计算能力的大幅提升和地震科学方法认知的不断丰富和完善,众多的学者开始用基于物理机理真实断层模型和速度结构模型的地震动数值模拟来评估未来可能发生的破坏性地震的灾害特征。本文初步汇总了地震动数值模拟在地震危险性分析中的研究现状、计算方法和研究实验项目,阐述了地震动数值模拟在物理地震危险性分析及应用中的发展趋势。从抗震设防的角度上来看：基于地震动数值模拟的地震危险性分析将有助于提前做好防震救灾预警。本文综述了地震动数值模拟在物理地震危险性分析中的研究和应用,该方法的不断完善会使其在未来具有巨大的潜力。     

考虑动水压力影响的单柱式桥墩地震反应分析

在Morison方程的基础上,用附加水质量法考虑动水压力对桥墩的影响,以单柱式桥墩为研究对象,以ABAQUS有限元软件为计算平台,建立了考虑桩-土动力相互作用的单柱式桥墩地震反应分析模型,考虑土体和桥墩混凝土的动力非线性特征,分析了地震动作用下动水压力对单柱式桥墩的墩顶相对墩底位移、加速度、剪力和弯矩反应的影响,并探讨了水位对单柱式桥墩地震反应特性的影响。结果表明:动水压力改变桥墩的地震反应特性,增大了桥墩顶部相对底部的位移、墩顶绝对加速度和墩底的内力,水位变化影响桥墩的地震反应特性。对于深水桥墩抗震设计计算,考虑动水压力效应、水位变化是有必要的。     

长周期地震动三维有限元数值模拟方法

采用数值方法对长周期地震动进行模拟已成为当前强地面运动预测的研究方向之一。本文提出了一种有限元并行计算的高效地震动数值模拟方法,可以同时考虑震源、传播途径和场地条件对地震动的影响,并根据昆明地区未来可能发生的设定地震对昆明市的影响地震动进行了预测。这一方法可以应用于国内已探测的发震活断层进行地震危害性评价工作。     

随机地震动场多点激励下大跨度连续刚构桥的地震反应分析

本文基于随机地震动场的功率谱模型和多点地震激励，建立了大跨度桥梁在随机地震动场多点激励的地震反应分析方法，并数值模拟了某四跨预应力混凝土连续刚构桥的地震反应，考虑了行波效应、部分相干效应和局部场地效应等因素的影响，并与确定性地震一致激励下的计算结果进行了比较。对工程建设具有参考意义。     

大型河谷场地地震动特性研究

采用有限差分方法,通过算例研究了大型河谷场地地震动特性分析中的人工边界的选取方法,对比分析了不同人工边界的选取对数值模拟结果的影响,确定了散射场地震反应分析输入边界的地震动输入方法,认为在进行有限差分动力计算时,模型两侧施加自由场边界的模拟效果要优于两侧施加粘性边界的模拟效果;同时,对FLAC计算软件进行二次开发,对2个地形差异较大的河谷场地,采用线性和非线性摩尔-库仑模型进行了地震反应对比分析,研究了河谷场地地震动幅值和频谱特性随地形变化的规律。模拟数据表明,河谷场地谷底处地震动基本无放大作用,地势凸起处放大作用则较为明显;当考虑土体非线性时,随着地震动强度的增加,放大作用逐渐减小;谱分析结果表明,地势凸起处受高频地震动的影响显著,而地势平坦的谷底则受低频地震动的影响显著。     

近场下桥梁结构的地震响应分析

提出采用宽频地震Kanai-Tajimi模型与速度脉冲He-Agrawal模型来模拟近场地震动,数值模拟验证了该近场地震模型的有效性。采用该模型定量分析了近场地震作用对桥梁结构地震响应的影响规律。近场地震动的脉冲持时是对结构产生破坏的一个重要因素,近场地震作用对桥梁结构的设计提出了更高的延性要求。     

基岩地震动的一个相干函数模型-走滑断层情形h

目前研究地震动空间变化的主要方法是利用密集台阵（如SMART1台阵等）的强震观测记录进行统计分析，由于地震动观测资料的不足，因而缺少基岩及不同场地类别地震动相干函数模型. 本文利用数值方法了模拟理论地震图，进而研究采用震源位错模型的基岩随机地震动的空间变化规律，并考虑震源破裂速度、子源个数、震源深度和介质传播速度等因素的影响. 其具体思路为:首先对应于每个样本，用有限差分数值模拟方法计算弹性半空间近场地震动场，而后对所有样本的计算结果进行统计，给出了一个走滑断层情形下的近场基岩表面及沿基岩竖直方向水平分量地震动的相干函数模型.      

小净距隧道扩建爆破动力响应数值模拟方法研究

以国内首次施工的大帽山四车道公路隧道扩建爆破震动控制为研究背景，介绍了爆破数值模拟分析中爆破荷载的计算原理和施加方法。从炸药直接起爆的角度，采用流固耦合多物质单元技术，利用LS-DYNA3D软件建立了扩建隧道爆破荷载作用下邻近运营隧道动力响应的数值计算模型。通过爆腔半径数值模拟结果与经验公式计算结果的比较，得到围岩的合理破坏应变值；对数值模拟计算结果的影响因素进行分析，结果表明材料采用理想弹塑性模型较硬化弹塑性模型的计算结果偏大；由现场实测数据拟合的经验公式验证数值模拟方法的可靠性。可为大断面小净距隧道施工及类似问题的解决提供参考。     

地面式钢筋混凝土水池自愈、渗漏试验及地震响应分析

钢筋混凝土水池在供水系统中承担着净水、储水的重要功能,是典型的储液结构。裂缝的出现会加速钢筋锈蚀、降低结构耐久性,且结构设计中裂缝宽度限值很大程度上决定了配筋量。水池在地震作用下易出现裂缝,裂缝可能导致储液渗漏,造成水池服务功能下降甚至丧失,并在一定程度上影响整个系统的功能。震后储液结构的裂缝开展情况及由此导致储液渗漏程度是评判水池地震破坏等级的主要标准。目前,已有研究成果表明,混凝土裂缝在与水接触条件下会发生自愈使原有裂缝宽度减小,水池由于储水为裂缝的自愈提供了必要条件。因此,应考虑承载力、耐久性、服务功能、经济性、裂缝自愈性能及震后维修加固可行性等因素综合确定水池结构设计和地震破坏等级划分标准中的裂缝限值。储液结构在地震作用下存在液固耦合效应且液体会发生晃动,储液的存在改变了结构的动力特性和地震响应。水池结构除受到结构本身惯性力和静水压力外,其底部和侧壁还承受液体在垂直壁面方向上产生的动水压力。水池在抗震设计中需考虑液面晃动和动水压力的影响。现阶段,对钢筋混凝土水池裂缝自愈性能、渗漏特性及水池在地震作用下的液固耦合动力特性和地震响应的研究尚不完善。本文通过钢筋混凝土水池壁板弯曲裂缝和贯通裂缝自愈、渗漏试验研究混凝土裂缝的自愈性能及渗漏特性,采用大型有限元软件ADINA进行圆形水池地震响应分析,研究液固耦合系统的动力特性、储液晃动、动水压力及破坏特征等。论文主要完成了如下工作:(1)设计并完成了钢筋混凝土水池壁板弯曲裂缝和贯通裂缝的自愈及渗漏试验。进行了材料性能试验;对静水环境中弯曲微裂缝、流动水环境中贯通裂缝的自愈性能进行了测试,给出了弯曲微裂缝在静水环境中短期内的自愈合宽度,证实了贯通裂缝在流动水环境中仍会发生自愈合;在裂缝上施加实际水头作用测试了弯曲裂缝和贯通裂缝的渗漏特性,研究了弯曲裂缝宽度、受压区高度及作用水头对液体渗漏的影响,分析了贯通裂缝水的渗漏率与累计时间和水头高度之间的关系。通过试验得到裂缝特性与自愈及渗漏之间的关系,为水池结构设计和地震破坏等级划分提供参考。(2)对地面式圆形水池进行了液固耦合动力特性分析,液固耦合系统包括刚体模态、储液晃动模态和液固耦联振动模态3种形式。研究了储水高度、水池半径、液体表面重力波对液固耦合系统动力特性的影响。此外,对比了圆形水池储液晃动频率的理论和有限元计算结果,验证了模型的可靠性,且推导得到圆形水池储液晃动基本周期计算公式。(3)分析了单向水平地震作用下不同水池半径、不同储水高度圆形水池的液面最大晃动波高,拟合得到了圆形水池单向地震作用下的液面最大晃动波高计算公式。公式可用于储液结构地震作用下的最大晃动波高估计和储液结构最大晃动波高设计。结合储液结构长周期抗震设计反应谱和阻尼比修正系数,提出了储水水池液面最大晃动波高计算方法。(4)研究了单向水平地震作用下,不同水池半径、不同储水高度圆形水池池壁、底板环向和径向位置的动水压力数值及分布情况,并与理论计算结果进行了对比;分析了地震动峰值加速度、储水高度、水池半径对动水压力的影响;确定了对流压力与脉冲压力的叠加方法;拟合得到对流压力、脉冲压力及动水压力计算公式;结合底板环向动水压力分布,综合给出单向水平地震作用下圆形水池动水压力标准值,与较复杂的理论计算方法和仅考虑脉冲压力的规范法相比,计算更简便且与实际相符。此外,还分析了液面和池底动水压力的时程变化。(5)进行了双向水平地震动作用下圆形水池的地震响应分析,提取了液面最大晃动波高和动水压力计算结果;基于单向水平地震动作用下的响应结果,通过合理的组合方式给出了双向水平地震动作用下的液面最大晃动波高和动水压力计算公式,建立了双向水平地震作用下储水水池液面最大晃动波高和动水压力计算方法;并对双向水平地震作用下圆形水池地震破坏特征和易损性进行了分析。