二维土层地震反应分析的时域等效线性化解法

考虑非线性特征的局部复杂场地地震反应分析,一直是工程场地地震动预测中需解决的关键问题。借鉴目前一维成层场地地震反应分析中广泛使用的频域等效线性化思想,将其推广至时域及二维问题,提出了可用于考虑非线性特征的时域显式有限元方法,适用于复杂工程场地地震反应分析。本方法内域主要采用可实现显式算法的低阶有限元格式,人工边界处采用与显式算法相匹配的透射边界模拟无限域,单元内先通过求取平面应变状态下的最大切应变替代一维模型中的最大切应变,再依据整个时间过程的切应变求取等效切应变。每次整体求解采用时域中心差分的递推过程,并通过迭代完成非线性特征分析。为了验证本方法,选取水平成层场地及二维盆地两个典型场地模型进行模拟分析,将计算结果与传统的一维等效线性化模型及二维差分非线性计算结果做了对比,计算结果显示本文解与参考解非常吻合,证明了本文方法的可靠性。进一步采用该方法对美国Turkey Flat试验场地进行地表地震动模拟,计算结果与应用广泛的一维等效线性化模型及实测记录比较,探讨该方法的可靠性及与现有分析模型的差异,并阐述了非线性特征对地震动影响的规律。     

一维土层非线性地震反应分析的解析递推格式法

引入“结构动力学数值分析解析递推格式法”求解软土地基地震反应分析问题。就一维地基非线性地震反应分析问题,将解析递推格式方法与等效线性化方法在各种场地土的计算结果进行了比较,结果表明：(1) 对软土层地震反应分析时,两种方法计算结果差别较大; （2）入射波幅值较强时,两种方法计算结果差别较大;（3）对于中等硬度土层、入射波幅值较弱时,计算结果相似, 并验证了该方法的实用有效性。     

苏州第四纪深厚沉积层一维等效线性和非线性地震反应对比分析

合理描述土体动力本构关系对场地设计地震动参数取值的准确性有显著影响。以苏州城区200 m深的钻孔剖面为研究对象,对比分析了一维等效线性波传分析法（ELA法）和基于修正Matasovic本构模型的多自由度集中质量非线性分析法（NLA法）给出的深厚场地地震反应,研究了基岩输入地震动特性和地震基岩面的选取对深厚场地地震反应的影响。结果表明：（1）随基岩地震动强度（PGA）的增大,ELA法给出的地表PGA呈单调递增的特征,而NLA法给出的地表PGA呈先快速增大后缓慢减小或几乎不变的趋势;（2）ELA法和NLA法给出的地表加速度反应谱（Sa谱）在短周期范围内存在明显差异,ELA法对基岩高频地震动具有显著的滤波效应,而NLA法对基岩高频地震动的影响表现为随基岩PGA的增大先放大后减小的特征;（3）随地震基岩面深度的增大,地表Sa谱的谱值呈现出稍许增大的趋势,但对周期T<0.1 s部分,NLA法给出的地表Sa谱的谱值则呈现出稍许减小的现象;（4）中、大震作用下,地表地震动持时不仅与基岩地震动特性有关,还与地震反应分析方法和地震基岩面的选取密切相关,NLA法能更合理地反映基岩地震动强度和上覆土层厚度对地表地震动持时的影响。     

厚软覆盖层场地地震反应分析方法研究

遭遇地震动作用时,厚软覆盖层场地由于其剪切模量低,极易产生较大的剪应变,采用等效线性化方法进行土层反应分析计算得到的响应高频成分被低估,峰值加速度偏低,对于工程抗震设防偏于不安全。本文给出了基于移动平均线和Parzen谱窗的频率相关等效线性化方法,并和有实际强震记录的厚软场地进行了对比分析,结果表明本文方法比等效线性化方法能更有效地模拟地震波在厚软覆盖层场地中的传播规律。最后采用本文方法和等效线性化方法对天津滨海新区某一典型厚软场地进行了地震反应计算,并对计算结果进行了对比分析。     

上海软土场地三维非线性地震反应分析

考虑土的非线性,采用弹塑性边界面模型,对上海软土场地进行三维地震反应分析。利用多维地震动作用下的水平地层弹塑性动力反应分析程序,以具有水平和垂直三向完整加速度记录的Taft波作为地震输入,对比分析单向和多向地震输入场地水平和竖向地震反应特征,并分析不同强度地震动输入下竖向和水平加速度峰值比特征及地下水位变化对场地土层地震反应特征的影响。计算分析表明,竖向与水平向地震反应特征有较大差异;与水平单向地震输入相比,三向地震输入场地土层放大效应明显增大;地下水位上升对水平向和竖向峰值加速度的放大效应影响差异显著,地下水位上升,地表水平峰值加速度放大效应增大,竖向峰值加速度放大效应减小,研究结果对上海地区的工程抗震设计具有参考作用。     

一维土层动力反应计算程序

一、概述在地震小区划工作中,根据实际钻孔资料,计算一维土层动力反应,也就是计算地表加速度反应谱(以下简称“反应谱”)。所谓反应谱,是指在假设地震动作用下,地表结构物所产生的加速度峰值与结构物的自振周期(或园频率)之间一一对应关系。由反应谱可推算出结构物承受的最大横向作用力,为抗震防震设计服务。我们假设在基岩内竖直向上入射一个剪切波。(据地震学家认为,震源附近以剪切波为主),由基岩输入的加速度过程,通过实测土层各参数,计算出地表的加速度时程,从而可求出地表结构物的反应谱。这里,我们只计算一维土层动力反应谱。     

考虑土体动力特征参数相关性的工程场地随机地震反应分析

研究等效线性化方法中土体动力参数不确定性对场地地震反应的影响,提出了可考虑土体动力特征参数间相关性的土体动剪切模量和动阻尼曲线随机样本生成方法,基于Matlab开发一维等效线性化场地地震反应分析计算程序,用于开展场地地震反应随机动力分析。以Ⅱ类成层场地为例建立一维自由场分析模型,采用不同地震设防水准下露头基岩场地加速度反应谱为目标反应谱,合成人工地震记录折半后作为场地下卧基岩处的输入。计算结果表明,考虑土体动力特征参数不确定性对场地地震反应具有较大的影响,且影响程度与地震动强度、频谱成分及场地基本周期均密切相关;场地最大峰值加速度和地表加速度反应谱的波动范围随地震动强度等级的增加而变大,且最大峰值应变和最大峰值加速度的波动范围可达10%和14%;目标反应谱平台段及场地基本周期处对应的场地地表加速度反应谱的波动范围超过20%。     

工程场地土层地震反应模型实例分析

在给定基岩地震输入的情况下计算实际场地土层不同深处的地震动反应谱,然后修改实际土层模型参数,在考虑土层厚度和软弱夹层变化的情况下进行地震反应分析,得出一些有意义的结论。     

竖向地震动对斜坡场地非线性地震反应的影响

国内外规范中推荐或强制规定竖向地震动取为剪切反应谱的1/2～2/3,但该规定如何改进使其更合理已成为一重要课题。首先,对其研究现状简单总结,给出了可处理辐射阻尼、地震动相位特性、计算高效的二维波动显式有限元等效线性化程序ELPSV编制的必要性,然后进行了分析。初步研究表明,竖向地震动强度对周期在0.3 s以下的地表剪切反应谱有一定的影响,而高于0.3 s部分影响轻微。竖向地震动强度对斜坡场地的竖向地震反应及地表竖向反应谱影响显著,按规范的取值将偏于不安全。受地形条件影响,坡顶剪切地震反应会比坡脚反应要大,而竖向地震反应并不明显。土层边界面的地震反应要比周围反应要低,交界面效应明显。软斜坡场地地震反应特性除场地竖向地震反应自下而上先增加后减小的规律外,其他情形与硬斜坡场地的规律基本一致。该结果定量反映了竖向地震动的影响程度,为斜坡场地上考虑竖向地震动的建（构）筑结构的抗震设计提供了有益的基础。     

龙首二级面板堆石坝三维真非线性地震反应分析和评价

基于土石料三维粘弹塑性动力本构模型,并采用新型三维各向异性有厚度薄单元来模拟面板和堆石的接触面特性,建立了高面板堆石坝地震反应分析的三维真非线性动力分析方法.利用坝料动力特性的大型三轴试验成果,分析计算了龙首二级(西流水)面板堆石坝的地震反应,主要包括加速度反应、堆石体应力反应及坝体单元抗震安全系数、面板应力反应和变形及接缝位移、高趾墙动力反应等.为大坝的抗震设计提供了有力的技术依据.     

上海深厚饱和覆盖土层的动力耦合地震反应分析

上海的第四纪沉积土层呈水平层状分布，市区的土层厚度约为270－290m，年平均地下水位0.5-0.7m。上海地区上覆深厚、饱和的沉积土层，对土层的地震反应特性具有重要的影响。基于动力耦合理论，将上海深厚饱和覆盖土层视为由固相和液相组成的两相饱和多孔介质，建立了能够反映上海土层深厚、饱和特点的地震反应计算模型。然后应用该模型，以El Centro,Taft，苏南和唐山地震波作为基岩输入加速度，对深度280m的上海深厚覆盖土层进行了动力耦合地震反应计算，并对加速度、振动孔隙水压力和地基震陷结果进行了分析。     

纵向非一致激励下自由场土体的非线性地震反应研究

土体地震反应分析对结构的地震反应和抗震安全性评价具有重要的意义,以大型振动台模型试验为手段,研究一致激励和非一致激励下自由场土体的非线性地震反应规律及其影响因素,能够为结构的地震破坏机制分析提供支撑。通过对场地土体的动力特性、加速度响应、剪应力-剪应变曲线以及土体沉降的分析,研究了不同地震动、不同地震强度作用下自由场土体的地震动反应特性及其变化规律。研究结果表明:土体的非线性发展程度不仅与地震动记录有关,还与地震动输入方式、加载等级有关;在大震或纵向非一致激励作用下,土体运动的不一致性导致了更强的土体结构性变化,频率降低,阻尼比增大,土体刚度弱化,土体的非线性发展相对较快;土体剪应力-剪应变曲线和沉降曲线的变化规律一定程度上也反映了土体的塑性发展情况。所得结论和自由场地震反应宏观现象一致,彼此佐证了结论的合理性。     

地下结构抗震设计的改进等效反应加速度法

对地下结构横向抗震分析中的等效反应加速度法进行综合分析。结合算例,以动力时程法为基准,全面评价了等效反应加速度法的适用性;进而深入分析其误差来源,并做针对性改进优化,通过引入动力响应调整系数β,提出了一种改进等效反应加速度法;结合算例分析,评价了改进等效反应加速度法对不同工况的适用性。结果表明:等效反应加速度法计算所得结构内力及变形均偏小;且计算精度随地层剪切波速的增大整体呈上升趋势,但几乎不受结构埋深的影响;同时,明确了等效反应加速度法的误差源自于其忽略了地下结构对其周围土体动力响应的干扰作用,改进优化后提出了改进等效反应加速度法;相比现有等效反应加速度法,改进等效反应加速度法具有更广泛的适用性及更优的计算精度,可为地下结构抗震设计和分析提供新的计算方法。     

黄河三角洲饱和地基土地震响应数值分析

根据黄河三角地区特殊土层的力学性质,以天津波水平向加速度时程曲线为输入地震波,在3 %,10 %和63 %三种超越概率情况下,对黄河三角洲20 m深度土层的地震反应进行数值分析,研究了孔压和动剪应力的变化。与室内动三轴试验得到的破坏孔压和动剪应力进行比较,判断土层的液化破坏情况。研究结果表明,在3 %超越概率下大部分地层均液化,在10 %超越概率下少部分地层被破坏,在63 %超越概率下大部分地层均不液化。采用破坏动剪应力比和破坏孔压比的判别结果相吻合。     

基于随机地震反应的桥墩-群桩-土相互作用研究

考虑地震动的随机性,利用复反应分析技术,采用随机地震反应计算方法对某一特大型桥梁群桩基础与土动力相互作用效应进行了数值试验研究。将土与群桩体系视为一个整体进行有限元离散,采用等效线性化方法考虑土体的动力非线性性能。将桥墩-群桩-土相互作用体系与自由场随机地震反应进行比较,结果表明：相互作用效应的影响与桩土模量差异以及土体与群桩基础距离有关;软土层剪应变水平及分布发生了显著变化,群桩基础两侧附近土域剪应变呈现明显的弧形分布;地表及浅层土体最大地震加速度反应有所减小,但覆盖层中下部土体加速度反应峰值明显增大,增幅达5 %～30 %左右;此外,地震地面运动的频谱成分存在显著差别。桥梁桩基础抗震设计中应充分考虑桥梁结构-群桩-土相互作用效应。     

溪洛渡地下洞室群地震响应的二维及三维数值模型比较分析研究

验证了显示有限差分方法进行地震波衍射分析的可行性,并基于此方法分别建立了二维（2D）及三维（3D）数值模型,对溪洛渡地下洞室群的地震安全性进行了分析与讨论。研究表明,在唐山余震天津医院地震波作用下洞室群处于安全状态。对比2D及3D数值计算结果可以发现,2D数值模型计算效率远远高于3D数值计算模型;对于建造于完整性较好、强度较高的岩体介质中地下洞室群而言,可以采用2D数值模型粗略估算洞身部分的地震响应,而洞室端面的动力响应则必须通过建立3D模型来进行分析。     

土压力传感器在硬土介质中的非线性响应分析

为掌握土压力传感器置于硬土介质中呈现的非线性响应特性,建立了传感器与土介质的相互作用模型,运用有限元分析了满足匹配误差稳定所需的传感器与土介质的模量比条件。进行了传感器的单体标定和级配碎石土介质标定试验,探讨了传感器非线性响应的主要影响因素。计算与试验表明,目前国内主流的双膜土压力传感器在量测硬土介质中的土压力时,由于模量偏小标定曲线非线性显著;土压力传感器单体标定曲线线性度较高且其模量基本稳定,表明土介质的模量变化是引起标定曲线非线性的主要因素;通过将传感器置于与使用环境相近的土介质中进行标定,并采用非线性修正可明显提高硬土介质中土压力量测的准确性。