地下综合管廊土-结构接触面参数对地震动力响应的影响数值分析

为研究土-结构接触面参数对地下综合管廊地震动力响应特征的影响,建立动力有限元数值模型,模型边界采用激励侧固定边界、远离激励侧黏性边界、其余侧自由场边界的优化组合动力边界,土体本构采用HSS模型,接触面采用改进Goodman单元,动力荷载考虑三种情况(Rayleigh波的作用、底部激励了美国加利福尼亚Upland地震波以及前两者的共同作用),分别研究不同地震动输入、接触面折减系数的改变对综合管廊内力及加速度的影响。研究结果表明:在相同的折减系数条件下,与静力作用相比,动力作用下的结构内力明显增大,综合管廊设计时应考虑地震荷载作用下内力增大的情况;随着界面折减系数的增加,正弯矩极值减小,负弯矩极值增大,加速度峰值增大;在相同接触面折减系数条件下,底部地震波输入产生的结构内力极值显著高于仅有Rayleigh波输入的情况;考虑Rayleigh波和地震波共同作用条件下,引起的管廊结构内力极值与仅考虑底部地震波输入时的结构内力极值差异不大。研究成果可供地下综合管廊结构地震响应精细化数值模拟及抗震设计参考。     

梯形山体地形效应及对周围场地地震反应的影响

利用数值方法对地震动的局部地形效应进行研究,主要以梯形山体为研究对象,重点考察了山体的存在对其周围场地的地震动产生的放大或衰减效果。对不同高宽比的山体输入不同频率的Gabor小波,研究输入波的频率和山体高宽比对山体顶点、山体脚点和周围场地动力反应的影响。输入波形简单的Ricker小波,通过散射波的走时分析并结合单频波的计算结果研究山体对周围场地地震反应的影响机制。实际地震波作用时的计算结果和单频波的结果都表明周围场地受山体影响会对地震动特定频率谱值产生明显的放大。突出地形的存在使周围场地的地震反应发生显著变化,具体表现为:(1)在单一频率的输入波作用下,虽然远距离场地的动力反应接近自由场,但高频波会引起距离山体较近的场地强烈的动力反应改变。低频波则不会造成周围场地动力反应的明显变化。(2)山体高宽比对地形效应有显著影响,更大高宽比的山体会造成更强烈的地震动地形效应。(3)周围场地不同位置因山体影响对地震动的不同频率的谱值放大可以达到1.5倍左右。     

工程场地地震安评中加速度反应谱标准化问题的讨论

文中计算了不同地震输入模式下的拱桥地震反应,讨论了输入指定地震波进行时域计算结果和按对应的反应谱进行计算所得结果之间的差异,特别分析了分别按地震波的实际反应谱和经过标定的反应谱计算得到的拱桥地震反应之间的不同.数值结果表明:在工程场地地震安全性评价中,采用标准反应谱的方式所提供的场地地震加速度参数,将会抹杀土层场地动力特性对地表地震动的影响.因此,按此地震动参数进行结构反应计算时,有时会低估结构的地震反应,留下结构抗震不安全的隐患.     

苏通大桥南引桥场地土层地震反应的数值分析

针对苏通引桥建设的实际背景和软弱地基的特点,利用二维有限元整体分析法,对其场地进行了地震反应数值分析。采用等效线性化模型描述土的非线性性质,研究了基岩在一致输入及采用不同行波输入下的场地地震反应特点。计算结果表明,不同的行波速度和行波输入方向,对地表加速度以及相对位移的峰值和相位均有不同程度的影响,对于重要结构来说进行多点地震波输入下的地震反应分析,有助于科学合理地确定结构的地震动输入模式。     

基于分离式近场地基模型的土-曲线梁桥非一致地震反应分析方法研究

进行土-曲线桥梁结构整体动力分析数值模型的计算通常较为困难,需要减少计算规模。推导了基于大质量法的自由场一维化时域简化算法,根据波在介质中的传播规律求解自由波场的位移扩展解,结合行波效应和合成空间多点相关地震动时程方法,分离出包含桥梁基础部分的地基,将地震动转化为作用在分离地基人工边界上的等效荷载,提出了一种分离式近场地基模型,并与扩展模型比较验证模型的精度。以一座小半径曲线梁桥为例,基于分离式近场地基模型对空间非一致地震动场进行了模拟,研究了考虑土-结构相互作用和空间变化地震动作用下的曲线梁桥抗震性能,与p-y曲线模型、固定基底模型进行对比,比较了3种模型在不同地震动作用下的地震响应幅值。研究表明:分离式近场地基模型能够同时考虑行波效应、相干效应和土-结构的动力相互作用,减少了模型单元数量,保证精度的同时提高了计算效率。通过研究不同视波速、不同相干性及不同场地条件对曲线梁桥结构地震反应的影响,获得曲线梁桥结构各构件内力反应值的范围,地震动空间变化对主梁弯矩和主梁扭矩产生显著的影响,场地效应对墩底弯矩有较大的影响。     

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。     

土层结构对反应谱特征周期的影响

本文选取和构造了若干有工程意义的典型场地剖面,利用目前工程上广泛应用的场地地震反应分析的一维等效线性化波动方法,计算了在不同地震动输入下的不同场地剖面的地表加速度峰值和地表速度峰值。利用计算得到的地表加速度峰值和速度峰值计算了不同场地在不同地震动输入下的反应谱的特征周期。研究了不同土层结构对地表加速度反应谱特征周期的影响,获得了一些有意义的结果。     

黄土高填方场地地震动参数特性分析

削山造地后形成的黄土高填方场地对地震动参数特性影响较大。以实际工程项目为研究对象,构造不同填土高度的计算剖面,采用一维等效线性化方法计算土层地震动参数,分析基岩地震动输入参数和填土高度对场地地表放大效应的影响。研究表明:场地地震放大系数随填土层的高度增加呈递减趋势。在多遇地震动和基本地震动作用下,场地地震放大系数递减速度比罕遇地震动和极罕遇地震动作用下要大。当填土高度达到一定程度后放大效应趋于平稳;填土高度的变化,会改变地表加速度反应谱的形状。填土高度越大,地表反应谱长周期的频谱成分越显著,反应谱曲线向后移,反应谱峰值点均明显向长周期移动,并出现多个峰值点,反应谱特征周期值变大;下伏基岩的刚度越大,地表峰值加速度的放大效应越大。地表加速度反应谱特征值相比变小。当填土高度增大到一定程度时,下伏基岩的种类对地表地震动特性影响则不明显。该研究成果对高填方场地的地震安全评价和结构抗震设计提供参考。     

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。     

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。     

Dynamic response of utility tunnel duringthe passage of Rayleigh waves

The modeling methodologies and calculation of dynamic response of underground structure under Rayleigh waves is investigated in this paper. First the free field responses under Rayleigh waves are analyzed and the numerical results agree well with the theoretical results. Then, the approximate Rayleigh waves are put forward based on the preliminary re-search, and Rayleigh wave field is obtained through fast Fourier transform technique. Taking a utility tunnel as an example, its dynamic responses under Raylei...     

Dynamic response of utility tunnel during the passage of Rayleigh waves

The modeling methodologies and calculation of dynamic response of underground structure under Rayleigh waves is investigated in this paper. First the free field responses under Rayleigh waves are analyzed and the numerical results agree well with the theoretical results. Then, the approximate Rayleigh waves are put forward based on the preliminary re-search, and Rayleigh wave field is obtained through fast Fourier transform technique. Taking a utility tunnel as an example, its dynamic responses under Rayleigh waves is calculated by ABAQUS. The results demonstrate that bending deformation is the main component of structural deformation and the deformation at the top of the structure is about twice as much as that at bottom of the structure. The effect of soil-structure interface and the buried depth of underground structure are also investi-gated via parameter analysis. For the shallow buried underground structures, Rayleigh waves can be the key factor to control the responses and damage of the structure.     

Forward modeling of Rayleigh surface waves for analytical characterization of dominant dispersion trends

Forward modeling is of critical importance for inversion analysis of surface wave methods to obtain shear-wave velocity (V_S) profiles of soil sites. The dynamic stiffness matrix (DSM) method can provide forward modeling of Rayleigh surface waves to simulate complex wave propagation in layered soil sites. However, contamination from body waves and interference of multiple Rayleigh wave modes can reduce the accuracy of theoretical dispersion curves, especially at irregular soil sites with embedded low-velocity or high-velocity layers. An analytical method is developed herein to combine the techniques of the multichannel analysis of surface waves method with the DSM method to improve the accuracy of the theoretical dispersion analysis for soil sites. The proposed method implements multichannel analysis of the analytical displacement responses to capture dominant dispersion trends. Comparison of the results obtained with the new method against those from the transfer matrix method and the literature indicates that the new method can (1) effectively minimize the effects of contamination caused by body waves and interference from several Rayleigh wave modes, and (2) generate accurate dominant dispersion trends for soil sites with various stiffness profiles, especially for the high-frequency dispersion characteristics of the profiles with embedded low-velocity layers.     

基于混合波场地震动输入技术的近海场地地震反应分析方法

基于人工边界子结构模型,提出一种利用混合波场实现近海场地中地震P波和SV波垂直输入的方法.该方法中用于波动输入的混合波场由计算模型两侧截断边界的自由波场和底面边界的入射波场构成,避免了不规则近海场地的自由波场求解.同时采用基于声流体单元的流固耦合算法模拟场地-海水动力相互作用,利用流体介质人工边界和黏弹性人工边界单元模...     

Suboptimal Rayleigh damping coefficients in seismic analysis of viscously-damped structures

An optimization method for the consistent evaluation of two Rayleigh damping coefficients is proposed. By minimizing an objective function such as an error term of the peak displacement of a structure, the two coefficients can be determined with response spectral analysis. The optimization method degenerates into the conventional method used in current practices when only two modes of vibration are included in the objective function. Therefore, the proposed method with all significant modes included for simplicity in practical applications results in suboptimal damping coefficients. The effects of both spatial distribution and frequency content of excitations as well as structural dynamic characteristics on the evaluation of Rayleigh damping coefficients were investigated with a five-story building structure. Two application examples with a 62-story high-rise building and a 840 m long cable-stayed bridge under ten earthquake excitations demonstrated the accuracy and effectiveness of the proposed method to account for all of the above effects.     

饱和土体-地下综合管廊结构地震响应分析

将土体视为固-液两相介质,基于饱和土体有效应力原理,建立饱和土体-地下综合管廊结构体系相互作用动力模型:在地应力平衡的静力状态下采用Duncan-Chang非线性弹性本构模型,在地震波作用的动力状态下采用Davidenkov非线性黏弹性本构模型;考虑饱和土体黏弹性动力人工边界条件,将地震动作用转化为作用在人工边界节点上的动力荷载。模型考察不同地震波时程、地震波加速度峰值、入射角度、孔隙率以及地应力场的影响,得出如下结论:(1)地震波的卓越周期与场地卓越周期相近时引起结构上的变形最大;随着地震波加速度峰值的增大结构变形增大;随着地震波入射角度的增加结构变形增大,地震波斜入射情况下产生的行波效应使得结构变形最大。(2)土体材料的孔隙水压力是影响地震中结构变形的主要因素之一。(3)将土体材料考虑为单相介质时结构上的变形要比考虑为固-液两相介质时大得多,直接将饱和土体场地中得到的地震波等效荷载施加到单相土介质-结构动力相互作用模型上,能够得到与完全基于有效应力法一致的结果。     

SV波在饱和土体自由表面的反射

基于饱和两相介质弹性波动方程分析SV波在饱和土体自由表面的反射问题,引入波动方程的势函数解答,求解出二维问题中SV波入射情况下饱和土体自由场的位移、速度、加速度和应力响应。在饱和土体自由场响应解析解基础上,建立SV波入射下饱和土体自由场静、动力有限元模型。建模中考虑了如下几方面因素:(1)在不同分析步,对土体单元赋予不同材料本构。通过*model change命令进行单元生死设定,从而实现在初始应力场平衡的静力状态下采用DuncanChang本构模型,而地震波动输入时采用Davidenkov动力本构模型;(2)采用多孔介质黏弹性人工边界条件,在人工边界上分别施加固相和液相介质的弹簧和阻尼来模拟饱和土体中能量的传播;(3)将地震波转化为作用在人工边界上的等效地震荷载,施加到人工边界节点上;(4)土体单元采用4结点平面应变孔压单元(CPE4P)。有限元计算与解析解比较结果表明:SV波在垂直入射和掠入射时,竖向位移响应为零;在45°左右入射时,水平位移响应最大;60°左右入射时,竖向位移响应最大。这些结论与解析解吻合较好,本文模型为建立土-结构动力相互作用模型打下良好的基础。     

Effects of wave passage on the relevant dynamic properties of structures with flexible foundation

An evaluation of the wave passage effects on the relevant dynamic properties of structures with flexible foundation is presented. A simple soil–structure system similar to that used in practice to take into account the inertial interaction effects by the soil flexibility is studied. The kinematic interaction effects due to non‐vertically incident P, SV and Rayleigh waves are accounted for in this model. The effective period and damping of the system are obtained by establishing an equivalence between the interacting system excited by the foundation input motion and a replacement oscillator excited by the free‐field ground motion. In this way, the maximum structural response could be estimated from standard free‐field response spectra using the period and damping of the building modified by both the soil flexibility and the travelling wave effects. Also, an approximate solution for the travelling wave problem is examined over wide ranges of the main parameters involved. Numerical results are computed for a number of soil–structure systems to identify under which conditions the effects of wave passage are important. It comes out that these effects are generally negligible for the system period, but they may significantly change the system damping since the energy dissipation within the soil depends on both the wave radiation and the diffraction and scattering of the incident waves by the foundation. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

微动多阶瑞雷波SPAC系数反演方法及应用研究

为充分利用微动信号中基阶和高阶模式瑞雷波,本文研究了基于多阶瑞雷波SPAC系数直接反演的方法.该方法首先基于地层介质响应计算多阶瑞雷波的能量占比,考虑实际观测台阵有限台站个数对SPAC系数影响,正演计算多阶瑞雷波SPAC系数,再采用快速模拟退火算法对其反演以获得地下介质横波速度结构.在此基础上,本文通过数值模拟验证该方法的可靠性,分别选取三种典型地质模型,基于模式叠加算法合成理论微动信号,采用本文方法计算其理论多阶瑞雷波SPAC系数并反演,给出反演结果与真实模型对比.我们将该方法应用于上海中心城区的地质调查中,通过与钻探结果对比,进一步验证该方法的有效性.本文理论与实际应用研究表明,基于多阶瑞雷波SPAC系数直接反演的微动探测方法有助于提高反演结果的可靠性,尤其对含软硬夹层的复杂地层介质,可提高探测精度.