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。     

基于自由场局部变形的地下结构抗震Pushover分析方法

对地下结构抗震Pushover分析方法进行了改进,采用自由场局部变形峰值作为目标位移,局部变形峰值时刻对应的土层水平加速度作为等效惯性加速度输入。给出了局部变形峰值和等效惯性加速度确定方式,详细介绍了基于自由场局部变形的地下结构抗震Pushover分析方法实施步骤、使用方法和功能特点。该方法更有针对性地考虑了强地震作用下不同埋深地下结构与土体的非线性特征以及两者之间的相互作用,通过分析变形和受力情况可以得到完整的能力曲线,更好地评估地下结构抗震性能。使用本文方法对3种埋深的地下结构进行计算,并与动力非线性分析结果进行对比研究。结果表明:本方法在计算稳定性和模拟精度方面优于基于自由场整体变形的Pushover方法;对于不同的输入地震波,能力曲线的吻合程度更高;在强震和罕遇地震情况下,对于深埋地下结构,计算结果略大于动力非线性结果,对实际工程而言更加安全。     

地铁地下结构抗震性能及分析方法研究

随着全球经济建设的快速发展,地下空间的利用已经成为学术界重要的研究课题。越来越多的震害表明,地下结构在强震作用下并不一定安全,甚至发生严重破坏。1985年墨西哥8.1级地震,1995年日本7.2级阪神地震以及2008年我国四川汶川8.0级地震都造成了大量的地下结构的损坏。研究地震作用下地下结构的稳定问题是当前岩土工程研究的热点课题之一,具有重要的理论和实际意义。地铁是现代城市的重要交通工具,是公众较为集中的地下空间,其安全稳定性受到了政府和社会的极大关注。本文以地铁地下结构为研究对象,对地下结构抗震研究的主要方法进行了系统的总结,对其中存在的问题及发展方向进行了讨论和评述;对三维有限差分程序FLAC3D的基本原理、功能及其在岩土工程抗震中的应用进行了详细的介绍;对地铁地下结构的抗震性能、震害机理以及实用抗震分析方法进行了深入的研究,主要成果如下:     

地下结构抗震研究现状及展望

地下结构的振动特性与地面结构有很大不同,针对于地下结构特点的抗震分析方法日益受到重视,近年来取得了很大的进展.简要总结了原型观测方法的特点及研究现状;详细介绍了理论分析方法的基本原理及主要的实用抗震分析方法;对近些年来地下结构振动模型实验方面取得的成果进行了综述;对地下结构抗震研究方法的未来发展趋势进行了探讨.     

地下结构抗震性能土工模型箱拟静力试验中土体尺寸的影响研究

随着地下空间的开发和地铁、隧道等地下结构的大规模建设,地下结构的抗震性能受到重视。相比于地上结构抗震性能研究的丰富成果,地下结构抗震性能的研究还远远落后,试验成果相对缺乏。地下结构土工模型箱拟静力试验可以较为合理地反映土与结构的相互作用,是一种适用于地下结构抗震性能研究的试验技术手段。在该试验中,模型箱内土体的尺寸是重要的试验参数,可能会对试验结果产生重要影响。因此,如何确定合理的土体尺寸是地下结构土工模型箱拟静力试验中应该研究的重要内容之一。文中以地下单跨结构为例,通过数值模拟研究了地下结构土工模型箱拟静力试验中土体尺寸对试验结果的影响。结果表明,地下结构土工模型箱拟静力试验中土体尺寸对地下结构抗震性能产生影响,地下结构抗震性能拟静力试验中结构周围的土体不宜忽略;在这一试验中存在一个合理的土体尺寸取值范围,当模型箱内的土体尺寸控制在该范围内时,既可以有效反映土体对地下结构的约束作用,又可以合理地反映地下结构的受力状态,确保获得可信的试验结果,同时有助于适当减小试验中的用土量。文中通过对比分析,给出了典型地下单跨结构拟静力试验中土体尺寸的建议取值。研究结果对地下结构土工模型箱拟静力试验...     

地下与地上钢筋混凝土矩形结构抗震性能对比研究

地下结构由于受周围土体的约束作用,其受力与变形特点与地上结构存在差异。采用Pushover分析方法分别对考虑土-结构相互作用的地下结构和不考虑土体的地上结构的抗震性能进行对比研究,探讨单层单跨和单层双跨钢筋混凝土矩形结构在有、无土体存在时抗震性能的差异。研究表明:考虑土-结构相互作用的地下结构变形能力与无土体时存在差异。在相同结构尺寸与初始轴压比的情况下,考虑土-结构相互作用的地下结构弹性层间位移角限值变小,地下结构更早出现塑性铰;单跨地下结构变形能力比地上结构的差,周围土体的剪切变形约束作用使得地下结构的延性变差;双跨地下结构与地上结构中柱变形能力相差不多,但侧墙的变形能力比地上结构的略差。因此,即使相同尺寸和初始轴压比的钢筋混凝土矩形结构,地上与地下结构的抗震性能仍存在较大差异,地上结构的相关研究成果不宜直接用于地下结构。     

砂土液化大变形本构模型及在ABAQUS软件上的实现

基于Yang和E lgam al等人提出的砂土液化大变形本构模型,对该模型的建立过程进行了详细的推导,基于新的嵌套屈服面硬化规则,对原有模型的硬化规则的不连续性做了改进,把该本构模型扩展应用到三维液化大变形的数值分析中,实现了基于ABAQUS大型商用软件计算平台上砂土液化大变形的计算子程序的开发,基于该计算平台和开发的本构模型,对动三轴试验体系中砂土试样的液化过程进行了数值试验分析,给出了试验过程中试样的竖向动位移、整体竖向应力应变关系滞回曲线和动孔压时程曲线的数值计算结果。文中初步验证了该模型在ABAQUS上开发的子程序的可靠性和数值计算模型的可行性,模型的可靠性及其子程序的稳定性还需通过试验结果和数值计算结果的对比分析与进一步验证。     

考虑土与结构相互作用效应的非弹性结构主动抗震控制研究

本文以一幢六层框架结构为研究对象，分析了土与结构相互作用效应对脉冲发生器和锚索两种控制系统的主动抗震控制效果的影响。结果表明：脉冲控制比锚索控制更为有效：在软土地基条件下，ＳＳＩ效应有可能使结构主动锚索控制失效；与刚性地基假定的结果相比，ＳＳＩ效应将显著降低脉冲控制所需的控制力，地基越软，降低的幅度越大，可达１／３￣１／２；若结构抗震设计时设及ＳＳＩ效应的影响，则按刚性地基假定需设置的主动抗震控制     

基于OpenSees的砂土本构模型对比研究

饱和砂土液化是由地震引起的一种最常见的工程地质现象,也是造成重大地震灾害的主要原因之一。由于成因的复杂性和所造成灾害的严重性,饱和砂土液化一直是土动力学和岩土地震工程研究领域的重要课题。针对饱和砂土液化问题,基于开源地震工程数值计算平台OpenSees,对材料库中的4种砂土本构模型进行数值计算。采用二维u-p单元模拟土颗粒位移和孔隙水压力,分析和对比4种模型在循环动力荷载作用下的加速度、超孔隙水压力、位移、剪应力-剪应变和平均有效应力路径方面的响应结果。研究结果表明:(1)砂土对输入加速度表现出一定的放大效应,对于不同的模型,该放大效应存在一些差异;(2) Stress Density模型在循环动力荷载作用下易产生永久变形;(3)在循环动力荷载作用下,PDMY模型和CycLiqCPSP模型的强度逐渐降低,直到完全消失;(4) Stress Density模型和Manzari Dafalias模型在循环动力荷载下表现出明显的剪胀效应。研究成果对砂土液化的数值模拟问题具有重要的理论价值,可为饱和砂土的液化模拟和砂土本构模型的选取提供参考。     

微倾斜可液化场地中地铁地下结构地震反应的振动台模型试验研究

微倾斜场地砂土液化产生的土层侧移对地面结构和埋于其中的地下结构都造成了严重的地震破坏,也将会对地铁大型地下结构的地震安全造成严重的威胁。同时,地铁地下车站与区间隧道的连接部位因结构刚度的突变,必然会造成该部位结构的地震反应区别于标准段结构的地震反应。鉴于此,本文介绍了微倾斜(倾角为6°)可液化场地中两层三跨框架式地铁地下车站和区间隧道连接部位结构地震反应的大型振动台模型试验研究。通过对试验测试结果和试验现象的分析,揭示了微倾斜液化场地中地铁地下车站结构的动力反应规律及其地铁地下车站结构非均匀上浮机理,以及地铁地下车站结构与区间隧道结构的连接对各自动力反应的影响规律。     

土-结构相互作用效应对结构基底地震动影响的试验研究

利用土与结构动力相互作用振动台模型试验数据,通过各种试验工况下土层表面与基础表面加速度反应的比较,深入探讨了土与结构动力相互作用效应对高层建筑结构基底地震动的影响。从输入地震动频谱特性、输入地震动强度水平和上部结构动力特性3个方面详细分析了与SSI效应对高层建筑基底震动影响程度有关的一些因素。结果表明：SSI效应对高层建筑基底地震动的影响与输入地震波的动力特性有很大关系。在地震动的频谱成分方面,SSI效应对高层建筑基底地震动的影响主要体现为土层表面和基础表面在与输入地震动卓越频率相近处的频谱成分有较大差异;SSI效应对高层建筑基底地震动的影响程度随着输入加速度峰值水平的增加而减小;在某一特定地震波作用下,当上部结构的振动频率与地震地面运动的卓越频率相近时,SSI效应对高层建筑基底地震动的影响较为强烈。     

大型结构地震反应值模拟中的波动输入

解耦的时域有限元数值模拟技术在考虑土－结构相互作用的大型结构地震反应分析中的应用日趋成熟。为完善其中的波动输入技术，本提出 了一种波动输入时步数值模拟的简便方法，替换对自由场的频域计算，从而使结构反应分析可以完全通过时步数值模拟实现。同时，通过数值实现，对这一实施方案的有效性进行了检验。     

城市地下变电站非线性地震反应分析

为研究城市地下变电站结构及其内部电气设备的动力特性及地震反应规律,以西安市快速轨道交通二号线张家堡地下变电站为工程背景,依据黏弹性人工边界理论及有限单元法,建立考虑土体-结构-设备动力相互作用的三维有限元计算模型,首先通过半空间自由场模型验证了地震动输入方法的有效性,继而开展地下变电站系统的模态分析和动力时程分析,得到了该类结构的动力特性及地震响应规律。研究结果表明,结构上覆土体及电气设备在地震作用下产生的惯性力是结构构件应力增长的主要原因,8度罕遇地震作用下地下变电站内电气设备的加速度放大系数明显超出规范要求,需要采取相应保护措施。     

爆炸地震波作用下地下结构动力响应数值分析

爆炸地震波荷载类似于天然地震波荷载，但又不完全相同。基于有效应力动力分析法，运用二维显式有限差分程序FLAC对地下结构在竖向和水平爆炸地震波荷载作用下的动力响应进行数值分析。编制了周围土体介质分析模型的程序模块并与FLAC接口。考虑了水平和竖向爆炸地震波荷载对地下结构的耦合效应，得出了一些定性的结论。     

模型储罐三维地震反应振动台试验研究

针对立式钢制模型罐,进行了三维地震激励和一维地震激励振动台的动响应试验研究。结果表明:储罐在三维地震动激励下的反应与一维激励相比,加速度反应、罐壁的应变反应、储罐提离反应具有较明显的放大效应。位移反应在不同地震激励下,其放大效应不同,El Centro波激励下各测点三维激励下位移较一维激励下位移放大明显,Taft、天津波激励下各测点三维激励下位移较一维激励下位移有放大也有缩小,幅度均不大。由罐壁测点加速度功率谱分析表明:一维激励其峰值频率区域较为集中,主峰突出,能量主要集中于低频区;在三维地震激励下,频率峰值区域明显拉长,峰值点模糊,频率成份十分丰富,表现出多主峰的特点。     

浅埋地下结构顶板在竖向地震作用下的动力响应

采用结构动力学的方法研究了浅埋地下箱形结构在竖向地震作用下的动力响应。鉴于土与结构动力相互作用分析的复杂性,为了简化分析,整个分析过程分为2步。第1步把结构看作是刚体,利用刚体与地基的相互作用分析求得刚体在竖向地震分量作用下的动力响应;第2步首先考虑到了侧墙对于顶板的抗弯约束作用,求得了顶板的固有频率及振型,并把第1步刚体的动力响应作为输入求解顶板梁的受迫振动,进而求得了顶板弯矩。     

Behavior of large post-liquefaction deformation in saturated Nanjing fine sand

Laboratory tests on the large post-liquefaction deformation of saturated Nanjing fine sand were performed by using a hollow cylinder apparatus. The stress-strain responses and the characteristics of excess pore water pressure after liquefaction were studied. It was found that the relationship between deviatoric stress and axial strain presented a sigmoid curve, and there was a good linearity relationship between normalized pore water pressure and deviatoric stress. On this basis, a constitutive model of stress-strain responses and a dissipation model of excess pore water pressure were established. It was found that the results predicted by the two models were in good agreement with the experimental data. The influence of relative densities and confi ning pressure on the characteristics of liquef ied soil were studied. The results showed the relative densities and initial effective confining pressure all had an important influence on the stress-strain responses of liquefi ed saturated Nanjing fine sand. However, the dissipation model of excess pore water pressure after liquefaction was only affected by the confining pressure.     

An investigation on the ground motion parameters and seismic response of underground structures

Peak ground acceleration (PGA), frequency content and time duration are three fundamental parameters of seismic loading. This study focuses on the seismic load frequency and its effect on the underground structures. Eight accelerograms regarding different occurred earthquakes that are scaled to an identical PGA and variation of ground motion parameters with ratio of peak ground velocity (PGV) to PGA, as a parameter related to the load frequency, are considered. Then, concrete lining response of a circular tunnel under various seismic conditions is evaluated analytically. In the next, seismic response of underground structure is assessed numerically using two different time histories. Finally, effects of incident load frequency and frequency ratio on the dynamic damping of geotechnical materials are discussed. Result of analyses show that specific energy of seismic loading with identical PGA is related to the seismic load frequency. Furthermore, incident load frequency and natural frequency of a system have influence on the wave attenuation and dynamic damping of the system.     

Seismic response of underground utility tunnels: shaking table testing and FEM analysis

Underground utility tunnels are widely used in urban areas throughout the world for lifeline networks due to their easy maintenance and environmental protection capabilities. However, knowledge about their seismic performance is still quite limited and seismic design procedures are not included in current design codes. This paper describes a series of shaking table tests the authors performed on a scaled utility tunnel model to explore its performance under earthquake excitation. Details of the experimental setup are first presented focusing on aspects such as the design of the soil container, scaled structural model, sensor array arrangement and test procedure. The main observations from the test program, including structural response, soil response, soil-structure interaction and earth pressure, are summarized and discussed. Further, a finite element model (FEM) of the test utility tunnel is established where the nonlinear soil properties are modeled by the Drucker-Prager constitutive model; the master-slave surface mechanism is employed to simulate the soil-structure dynamic interaction; and the confining effect of the laminar shear box to soil is considered by proper boundary modeling. The results from the numerical model are compared with experiment measurements in terms of displacement, acceleration and amplification factor of the structural model and the soil. The comparison shows that the numerical results match the experimental measurements quite well. The validated numerical model can be adopted for further analysis.     

核电站抗震研究综述

核电站抗震性一直是核电站设计的主要问题之一。随着此问题各方面研究的深入和研究手段的进步,核电站的抗震计算理论也在不断发展,本文试图根据已有的资料,在核电站抗震问题的一些主要方面（地震输入参数的确定,抗震计算理论,结构与地基的相互作用,支加速度谱及反应谱的确定,建筑物及设备的抗震计算,地基,基础及地下建筑的抗震计算等）研究状况作一些综述,并在此基础上展望一下需要解决的问题。