地下结构抗震简化分析方法比较研究

地下结构抗震是当今地震工程领域重要的研究方向之一。迄今,国内外学者在地下结构抗震分析中提出了解析方法、数值分析方法和简化分析方法等多种理论。本文系统介绍了目前国内外常见的地下结构抗震简化分析方法,包括地震系数法、自由场变形法、柔度系数法、反应位移法、反应加速度法和地下结构Pushover分析方法。针对各分析方法的计算模型、关键参数、优缺点以及存在的问题进行了较为系统的评述,采用这些方法计算了日本阪神地震中损毁的大开地铁车站地震反应,并与严格的动力时程分析方法结果进行了比较,分析了各种方法的计算精度,可为进一步发展和完善现有的地下结构抗震简化分析方法提供参考。     

FEMAP58新一代建筑抗震性能评估方法

介绍了FEMA P58提出的新一代建筑抗震性能评估方法。此法适用于新建筑和既有建筑的抗震性能评估,能够评估未来地震下单个建筑的反应结果。评估结果用包括人员伤亡、修复和重建造价以及居住中断时间等的概率分布表达,便于设计人员与业主、投资人或房屋用户等进行沟通。设计人员通过计算性能指标,可以比较不同结构体系潜在年平均地震风险或不同抗震加固方法的效果。业主可根据性能指标作各种决策,如结构体系的选择及房屋成本控制等。本法可对某一特定地震动强度或某一震级、震中距地震以及某一时间段内可能发生的全部地震情况下的建筑抗震性能进行评估。     

考虑底座滑移的电压发生器塔架结构地震反应分析

以明置于室内地面上的大型直流电压发生器塔架结构的抗震计算为例,分别计算了结构在正弦共振调幅5波、正弦共振3波、El Centro地震波激励下的响应,讨论了体系整体性能、底座和基础之间滑移以及摩擦系数对结构地震反应的影响。计算结果表明:提高结构的整体性,可使结构的刚度和自振频率变大,有助于提高该类结构的抗震性能;考虑底座和基础之间的滑移更符合结构地震反应的实际情况;调幅5波或正弦3波下进行结构分析会对结构提出过高的要求,使设计过于保守,建议按同类场地上的实测地震波进行计算,同时通过振动台模型试验深入了解其抗震性能特点。     

结构抗震的可靠度与位移控制设计

本文指出,目前抗震规范里规定的设计方法不能正确地估计结构抗震的可靠度。作者用24个地震记录计算了1800个多层建筑的弹塑性地震反应,给出了多层建筑在地震作用下延伸率的分布密度。文中用结构的延伸率不大于某一极限值的概率表示结构抗震的可靠度,提出了一个根据对结构抗震可靠度的要求设计抗震结构的方法。用此法进行设计,可以求出结构遇到不同强度地震时的可靠度。如果在某一时期某一强度地震发生的概率为已知,结构总的抗震可靠度即可求出。最后,用本文给出的结果对现有建筑的抗震可靠度作了估计。     

盾构隧道抗震分析的整体强制反应位移法适用性研究

整体强制反应位移法采用土-结构相互作用模型,将地震作用下的土层位移以强制位移的方式施加到整个土层上,从而计算结构在地震作用下的响应。本文以天津某地铁盾构隧道为例,采用整体强制反应位移法进行地铁盾构隧道结构的抗震分析计算。为了验证该方法在复杂软土场地下盾构隧道结构抗震分析中的适用性,以时程分析法为基准,对比分析整体强制反应位移法、反应位移法和时程分析法3种方法计算出的盾构隧道结构内力图和内力峰值。研究表明,整体强制反应位移法具有较好的适用性及易操作性,具有较高的计算精度,是一种方便有效的抗震设计拟静力方法。     

考虑竖向地震作用的拱式廊桥的地震响应分析

本文以某大型商业拱式廊桥工程实例为依托,利用有限元软件分别建立了整桥模型和不考虑上部建筑结构的桥梁模型以及不考虑下部桥梁结构的建筑模型,并计算了各自的自振动力特性,在此基础上通过反应谱方法分析了同时考虑水平地震作用和竖向地震作用的廊桥主拱圈和上部建筑结构柱的地震响应以及不同模型计算结果的差异,以此研究桥梁结构与建筑结构的耦合作用,为廊桥的抗震设计或分析提供一定的参考依据。     

土-结构相互作用地震反应的非经典振型分解反应谱方法

土-结构联合动力体系是非正交阻尼系统,本文建立了这种非正交阻尼系统地震反应的非经典振型分解反应谱方法,并提出了各非经典振型谱反应的组合公式。这种反应谱方法包含两个反应谱——实部反应谱和虚部反应谱。当假定地震加速度为具有平缓的功率谱平稳随机过程时,上述两个反应谱近似相等。对EL Centro(1940)和天津(1976)地震记录的计算也表明了这一点。对实际高层建筑和高耸结构的计算表明,该法计算简便,易为实际工程抗震分析所应用。 这种方法适用于诸如流体-结构、流体-土-结构以及不同性质材料组成的组合结构等任何非正交阻尼系统的地震反应分析。     

隔震消能体系结构地震反应的定量控制

本文对采用隔震消能体系的抗震结构的地震反应提出一种定量的控制计算理论和方法。这种理论和方法是在结构动力分析、1/4比例的结构模型振动台试验、大批量的结构消能构件的低周疲劳试验的基础上建立的。作者对隔震消能体系的结构地震反应的理论计算值与试验实测值进行了详细对比。作者并提出一套适用于隔震消能体系的抗震结构地震反应控制设计计算公式,该套计算公式可供工程设计采用。     

基于静力子结构的多点输入拟静力位移求解

复杂场地的土层地震反应分析对结构的地震反应计算及抗震安全性评价有重要意义。采用直接有限元法对土层进行三维建模,可使系统的计算力学模型更加符合实际情况。但由此带来的计算量之大,使得传统的计算方法难以胜任。在此背景下,本文利用静力子结构方法推导了在多点输入模式下进行土层地震反应分析时拟静力位移的求解步骤,并通过均匀土层算例验证了行波输入下利用约束子结构模态综合法进行复杂场地地震反应分析的可行性。     

飘浮体系斜拉桥纵向抗震计算的单塔模型

通过全桥模型计算结果与单塔模型计算结果的对比,讨论了集中质量在塔上锚固区处堆聚位置,定义了一个结构动力特性和结构地震反应的修正系数,提出了飘浮体系斜拉桥塔纵桥向地震反应计算的单塔模型。多个工程实例的分析结果表明,采用单塔模型的典型误差在15%左右,精度可以满足工程抗震设计的要求,使桥塔的抗震计算得到简化。     

一种直接基于位移的抗震设计方法

与传统基于力的抗震设计方法相比,基于位移的抗震设计方法更适合实现基于性能抗震设计。本文在若干文献的基础上,提出了一种直接基于位移的抗震设计方法。该方法建立在结构屈服位移可由几何尺寸确定的基础上,根据不同水平地震作用下的目标设计位移,计算相应的延性系数,采用一定的Rμ-μ-Tn关系建立相应的非线性反应谱,以二折线模型模拟结构的性能曲线,然后根据结构不同的目标位移以及对应的非线性反应谱确定相应的有效周期,从中选择最小值作为设计结构的有效周期,根据有效周期计算结构的刚度,然后乘以屈服位移得到结构的屈服强度。根据结构屈服强度以及结构的超强系数,得到结构的设计基底剪力。该方法避免了设计中采用迭代计算,且一次设计就可以完成多水平设防的目的。     

能力谱方法在桥梁抗震性能评估中的应用研究

位移延性是桥梁抗震性能的重要指标之一,以Pushover分析为基础的能力谱方法能够考察结构在地震下的弹塑性位移响应,是抗震性能评估的一种有效手段.文中阐述了能力谱法的基本原理,说明了基于弹塑性反应谱的能力谱方法在求解性能点时不需要进行迭代计算;基于弹性设计反应谱建立了相对应的弹塑性反应谱,结合某实桥,将能力谱方法和增量动力分析方法进行了对比,并根据不同的地震基本烈度和场地土类型进行了抗震性能评估.分析认为,能力谱方法计算简便,对结构1阶振型的地震响应占主导时,具有较好的精度,并能够基于设计反应谱来考察结构的弹塑性抗震性能,可用于桥梁抗震性能的评估.     

地下结构地震反应规律和抗震设计方法研究

随着城市轨道交通系统,尤其是地铁的大规模建设,城市轨道交通系统的安全问题已经成为重中之重。地铁系统要在长时间的运行周期内保证安全,就必须具有良好的抗震性能。对于地下结构抗震问题,模型试验和数值计算是必不可少的两种手段,合理且简便的抗震设计方法是研究所要达到的目标,而地下结构周围土体材料的非线性动力本构模型是研究中的难点。本文对地下结构的地震反应规律和抗震设计方法进行了深入研究,取得了如下研究成果:(1)土的本构模型。根据Hardin和Drnevich提出的土体动应力-应变关系曲线以及其在非等幅往返荷载作用下的Pyke修正,结合Dafilias和Popov等人提出的边界面理论,构造了基于Hardin曲线的土体边界面本构模型,并在ADINA中利用自定义材料的二次开发实现了该本构模型。(2)二维有限元动力计算。采用Opensees对饱和砂土场地的地震反应进行了非线性动力有限元分析,并通过改变土性、地震动幅值、持时、频率等因素后数值模拟的对比,分析了各因素对可液化场地地震反应的影响;然后对饱和砂土中带中柱箱型隧道的地震反应进行了输入不同幅值地震动时的动力计算,分析了场地和结构的加速度反应及其频谱特性、场地的永久变形、隧道的变形和位移、以及隧道的内力分布,揭示了可液化土层中箱型隧道的地震反应规律和震害机理。(3)饱和砂土中地下结构地震反应振动台试验。完成了饱和砂土中地下结构地震反应的振动台试验,从孔压、土层加速度、土层频谱、地下结构加速度、地下结构频谱、动土压力和地下结构应变等方面分析了试验结果,并观测了宏观的试验现象,分析了饱和砂土场地以及其中埋置的地下结构的地震反应规律。(4)三维有限元动力计算。在Opensees计算平台中建立了穿过饱和砂土和粘土分界面箱型隧道的三维有限元模型并且进行了动力数值计算,对比分析了分界面两侧的土层和隧道的地震反应,此外,亦分析了沿隧道纵向地表竖向位移、隧道变形和隧道内力的分布,揭示了饱和砂土和粘土对隧道地震反应的不同作用,探索了穿过饱和砂土和粘土分界面的箱型隧道的地震反应规律和震害机理,对实际工程建设中此类隧道的抗震研究具有重要意义。(5)地下结构横截面抗震设计方法。详细介绍了反应位移法的原理和具体内容,以动力时程计算的结果作为参照,比较了几种地基弹簧参数取值方法计算结果的准确性;然后在反应位移法的基础上提出了大震下地基弹簧参数取值的非线性修正,并对其计算结果进行了验证;最后又依据地基弹簧参数取值的非线性修正,进而提出了基于反应位移法的地下结构简化pushover分析方法,并根据一具体算例对其计算结果进行了验证。(6)地铁隧道纵向抗震设计方法。介绍了几种常见的隧道纵向抗震设计方法,例如,BART法、质点-弹簧模型法和反应变位法等;然后将桩-土相互作用的p-y曲线弹簧引入到了地铁隧道的纵向抗震设计中,建立了超长隧道-地基土相互作用的p-y弹簧模型,并且通过对该模型的Pushover分析给出了地铁隧道的一种纵向弹塑性设计方法;最后通过多点激励对超长隧道-地基土相互作用的p-y弹簧模型进行了动力数值计算,得到了隧道纵向内力和变形的一些规律。     

多跨简支规则直线梁桥横桥向地震反应合理简化计算模型研究

以多跨简支的直线梁桥为研究对象,在对比分析主要抗震国家现行桥梁抗震设计规范关于结构横向地震反应计算所采用的简化方法的基础上,通过变化跨径比、墩高、桥墩刚度比等主要结构设计参数,对刚性梁模型与柔性梁模型在模拟结构横桥向地震反应方面的合理性进行比较,提出了适用于多跨简支规则直线梁桥横向地震反应计算的合理简化模型,并对简化计算方法进行改进。     

土-结构动力相互作用问题分析中地震动输入的一种新方法

为实现地震作用下土-结构动力相互作用问题的有限元模拟,需要在人工边界上完成地震动的有效输入,目前工程和科研中常用的地震动输入方法有两种:波动输入方法和振动输入方法。波动输入方法的模拟精度高,但实施上相对复杂且耗时,而振动输入方法处理简单,但模拟精度较低。针对应力型人工边界提出一种在人工边界上实现地震动输入的新方法,该方法通过对土-结构有限元模型中由人工边界节点及相邻节点组成的局部子结构施加自由波场位移时程并进行动力分析,从而直接获得可实现地震波动有效输入的等效地震荷载,然后在土-结构有限元模型的人工边界节点上施加等效输入地震荷载并完成动力计算,由此完成土-结构动力相互作用问题的地震动输入和地震反应计算。与原有波动输入方法相比,新方法避免了原方法需分别计算人工边界上自由场应力和由引入人工边界条件引起的附加力,以及需要根据不同人工边界面的外法线方向确定荷载作用方向等较为复杂的处理过程,具有等效地震荷载计算简便、地震动输入过程更易于实施的特点。采用均匀弹性半空间和成层弹性半空间一维地震反应算例初步验证新方法的正确性和可靠性。     

中、美、欧抗震规范底部剪力法的对比研究

目前,底部剪力法是各国计算水平地震作用的基本方法,应用该方法时需要使用各自国家的抗震设计反应谱。本文汇总了中、美、欧抗震设计规范的反应谱和底部剪力法,在相同重现期和场地条件的基础上,对比了不同烈度下3本规范反应谱的异同,并通过算例对比了分别采用3本规范的底部剪力法算出的不同设防烈度下同一结构的底部地震剪力和层间地震剪力。对比结果表明,3本规范的反应谱和底部剪力法在本质上是相同的,只在表达形式和参数设置上存在差异。     

多年冻土区桥梁的地震反应

首先研究了冻土区桥梁的抗震计算方法,对波动法和惯性力法的计算结果进行厂对比分析。对比结果表明惯性力法的计算结果偏大,但当基岩的剪切波速很大时,两种方法的结果接近。然后,采用波动法对季节性冻土区和多年冻土区桥梁结构进行了地震反应分析,研究了冻土层的变化对桥梁结构地震反应的影响,得到了不同冻土厚度、不同墩高时桥墩地震内力分布的规律。计算结果表明,冻土层的存在对桥梁的地震反应具有显著影响,桥墩的地震反应在冬夏两季具有显著区别。     

结构多维地震作用研究综述及展望(Ⅱ)——分析方法及展望

本文综述了结构多维地震作用研究的发展概况。在I中，主要综述了多维地震动输入的有关问题，分别从多维地震动转动分量的研究和多维地震动随机模型及相关性的研究方面进行了讨论。在Ⅱ中，主要综述了结构在多维地震作用下的反应分析方法，包括多维抗震分析的反应谱方法、多维抗震分析的时程法、和多维抗震分析的随机方法，最后讨论了结构多维地震作用研究中存在的问题，对今后的研究方向提出了展望。     

黄土地区地铁地下结构抗震研究综述

介绍了地铁地下结构抗震研究的发展历史、研究现状及黄土地区地铁地下结构抗震的相关研究,总结归纳出地震作用下地铁地下结构的地震破坏形式与地震反应特征;对地铁地下结构的不同抗震研究方法进行对比研究,指出各种研究方法的优缺点与适用情况。针对我国黄土地区地铁地下结构抗震分析理论研究不足,基础资料积累欠缺,抗震设计尚无可靠依据的实际情况,探讨了黄土动力本构模型、黄土与结构动力相互作用、离心机振动台试验研究及抗震分析方法等因素对黄土地区地铁地下结构抗震研究可靠性的影响,提出黄土地区地铁地下结构地震动力反应分析、地震破坏机理分析、抗震性能分析及抗震设计中需要深入研究的关键问题。     

某高位转换高层建筑结构设计

对某高位转换高层建筑进行结构设计分析,重点分析了PKPM不同计算模块对转换构件的计算结果,对比发现不同的模块计算结果有较大不同,在结构设计时应对结果进行仔细分析综合判断,才能作为设计依据。同时根据规范设定的抗震性能目标,研究结构的整体抗震性能,分别进行多遇地震作用下的弹性反应谱分析和罕遇地震作用下的推覆分析,结果表明:结构满足抗震性能要求。在多遇地震作用下,结构完全处于弹性工作,在罕遇地震作用下,塑性铰出现的时间和位置合理,满足抗震性能要求。