工程结构地震反应与地震动输入关系研究

工程结构地震动输入是结构抗震设计研究中的重要问题,输入的合理与否直接影响着结构抗震能力。本文以框架结构为分析对象,将结构振动周期作为结构动力参数,地震记录加速度反应谱的特征周期作为地震动特征参数,通过计算对比发现:场地条件相同、峰值加速度相同、震中距相近的情况下,反应谱特征周期与结构基本周期接近的地震记录会让结构产生较大的地震反应。     

厚软场地上大跨径桥梁设计反应谱研究

大跨径桥梁塔高、跨径大、自振周期长,深厚、软弱场地的长周期地震动对桥体结构影响较大。我国《公路工程抗震设计规范(JT J004-89)》也只适用主跨不超过150 m的梁桥和拱桥,国内长期以来没有一个适用于大跨径桥梁的抗震设计规范或指南。本文结合大跨径桥梁工程实例,根据场地土层静、动力性能参数的原位测试和动三轴试验结果,进行厚软场地土层地震反应分析,研究厚软场地的地震动效应,讨论了不同地震动强度时厚软场地的设计反应谱特征,分析了现行规范设计反应谱应用的局限性,成果对相关工程有重要指导意义,对大跨径桥梁抗震设计规范的制定也有借鉴作用。     

苏通大桥初设阶段主桥场地地震反应计算

本文计算了苏通大桥初设阶段主桥近300 m深场地的地震反应。将三种地震波从基岩输入,并考虑了行波效应,从而得到不同计算工况下8个桥墩所在场地的地震反应结果,列出了工程场地地表的部分绝对加速度和绝对位移的计算结果。从计算结果来看,土层的地震反应受到以下几个因素的影响:土层计算模型、土层的地质地形条件、行波效应。当有倾斜河谷地形时,采用一致输入下水平均匀分层土层的简单模型后,计算所得的工程场地地震动参数与实际场地精细化模型的计算结果有较大的差距。是否考虑基岩面上地震波的行进过程,也会对场地地表的地震动参数产生较大的影响。     

场地地震反应分析研究现状及展望∗

场地条件对结构震害的影响已成公认的事实,如何定量的进行场地地震反应分析成为地震工程学中亟待解决的问题之一,而在场地地震反应分析中确定地震动输入至关重要。针对场地条件和地震动输入对场地地震反应的具体影响、场地地震反应分析方法等方面的研究现状进行了系统总结。已有研究表明,场地条件和地震动输入对场地地震反应分析结果有显著影响。但目前仍存在的问题有:在冻土区进行场地地震反应分析时未充分考虑冻土层的影响效应;缺乏合理的地震动模型来准确描述实际地震动;尚未明确地震波入射角度对场地地震反应的影响规律;目前广泛使用的等效线性化方法不能完全反应土体在地震动作用下的真实运动状态而使其计算结果不尽合理。结合以上问题对还需进一步研究的内容进行了展望,为场地地震反应分析未来的研究工作提供参考。     

各向异性场地动力特性的地微动研究

采用非均匀横观各向同性层状介质模型模拟半空间之上的层状场地,对垂直入射的剪切波引起的地面响应进行了模拟.考虑震源特性的影响,分析了不同深度位置两种不同卓越频率的入射子波的响应,结果表明,非均匀横观各向同性层状场地的地震动响应具有明显的各向异性特征,并且随着震源特性的不同而变化.以某场地实测资料为例,计算了场地E-W向和N-S向的Nakamura谱比及小波谱,表明该场地的地微动频谱特性具有各向异性特征.场地微动水平方向的振动位移图分析进一步表明,场地振动具有优势方位,场地动力特性具有各向异性.在数值模拟和试验观测的基础上,提出了场地微动各向异性及各向异性主轴的概念,分析了场地微动各向异性主轴及各向异性机制.     

近断层脉冲型地震动耦合效应特征

指出了近断层脉冲型地震动耦合效应的存在。以典型走滑断层型地震动为数据基础,考虑场地条件的影响,对近断层方向性效应地震动分量(CFN)、滑冲效应地震动分量(CFP)以及相互垂直的两耦合地震动分量(C45°和C-45°)的峰值、反应谱分别做了定性的比较。结果表明,各地震动分量的加速度峰值之间差别不明显,但方向性效应地震动分量的速度和位移峰值明显大于其它分量相应的峰值;不同场地、不同周期段的绝对加速度、相对速度和相对位移反应谱谱比呈现不同的变化特点;岩石场地上方向性效应地震动分量长周期段的加速度反应谱最高,而土层场地上各分量加速度反应谱之间的差别不大;近断层结构抗震设计时,地震动分量和设计谱的选取应适当考虑地震动的方向效应。     

地震作用下锚固滑坡动力响应研究

为研究地震作用下锚固滑坡的动力响应,开展大型振动台模型试验,以汶川波、El Centro波以及不同频率的正弦波为输入波,研究在逐级增大加载强度条件下锚固滑坡的动力特性、加速度响应及地震动参数对加速度响应的影响等动态响应特征。结果表明:①地震作用下,锚固滑坡的破坏形式主要为框架之外素土部分上部的张拉破坏和坡底的剪切破坏。②锚固滑坡对输入地震波具有放大作用,且沿坡高方向向上,PGA放大系数呈递增趋势。③不同类型的地震波作用时,由于其频谱特性的差异,锚固滑坡的加速度响应不同。低强度地震波作用时,输入波的频率越接近锚固体的自振频率,坡面加速度放大效应越强;高强度地震波作用时,输入波的频率越低,坡面加速度放大效应越强;低频波作用时,加载强度越大,坡面加速度放大效应越强;高频波作用时,加载强度越大,坡面加速度放大效应越弱。研究结果对锚固滑坡的抗震设计具有一定的参考意义。     

二维相关地震动作用下结构的随机反应

假定两水平方向的地震动为平稳随机过程,基于地震动主轴模型的假设,讨论了二维地震动分量的空间相关性,在单分量平稳模型的基础上给出了二维水平地震动随机模型的相关函数矩阵。该相关函数模型可以为二维地震下结构随机反应分析提供地震动输入。利用状态空间方法和随机振动理论建立了线性多自由度体系在二维地震激励下的随机反应分析方法,导出了结构的位移反应相关函数和速度反应相关函数,可在时域内直接计算结构的二维随机地震反应的统计特征。最后,通过一个二层框架结构计算实例,说明了这种方法的运用,讨论了地震动强度以及地震动主轴方位角对结构反应的影响。该方法可以为结构抗震可靠性评估提供基础。     

黄土丘陵沟壑区挖填场地动力响应特征研究∗

以黄土丘陵沟壑地区大规模平山填沟造地工程为背景,结合相关工程实例,定量分析新型挖填场地在地震作用下场地动力响应特征及其关键影响因素。以场地地球物理勘测和压实黄土室内动三轴试验为基础,构建考虑场地横向不均匀性的场地地震反应分析模型,给出场地填方厚度、挖填交界面和土层参数对场地挖方区、填土区和界面区地震动特征参数的影响规律。研究发现：场地覆盖土层厚度在一定范围内对地震动峰值加速度影响明显,而大厚度覆盖层对地震波能量传递有抑制作用;填方土层压实参数影响填方区地震动放大范围;挖填界面的平均坡度和界面阻抗对平面内地震波场折射和反射影响较大。研究结果可为黄土地区大规模挖填场地地震稳定性分析提供参考依据。     

覆水场地地震反应分析

随着各种海洋结构物的兴建,覆水场地的地震反应逐渐成为研究热点。基于任意拉格朗日-欧拉描述,推导时变区域上的流体运动方程,给出流场、结构的接触条件和流场网格运动控制方法。对于平坦覆水场地,水平向地震动作用下,根据Couette流理论证明该类场地流体作用可以忽略;竖向地震动激励下,横向均匀场地可以通过动水压力公式准确考虑流体作用,横向非均匀场地则需要通过流固耦合方法考虑流体作用,以海底隧道为例加以说明。对于起伏场地,天然起伏场地在地震动激励下的动力反应具有明显的流固耦合特征,以三角形起伏场地为算例;结构物的兴建造成的人工起伏场地同样需要考虑流固耦合效应,以某沉管隧道在水平向地震动激励下的动力反应为算例,并根据结果初步提出该类结构物流固耦合分析的简化计算方法。     

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。     

厚软场地的地震动特征及设计反应谱研究

根据场地土层静、动力性能参数的原位测试和动三轴试验结果,进行厚软场地土层地震反应分析,研究厚软场地的地震动效应及地震动特性,并结合工程实例讨论了对应不同地震设防水平(50年超越概率63%、10%和3%)厚软场地的设计反应谱,分析了现行规范设计反应谱应用的局限性,成果对相关工程也有借鉴作用。     

可液化场地减震结构体系地震动特性影响效应研究∗

工程结构的地震响应规律与地震动特性紧密相关。为了研究地震动特性对可液化场地装设黏滞阻尼器的桩基‐结构体系地震响应和黏滞阻尼器减震效果的影响,选取24 条不同特性的地震动作为输入,针对可液化场地装设黏滞阻尼器的桩基‐结构体系数值模型进行非线性时程分析。结果表明：相比于远场地震动作用和近场非脉冲地震动作用,近场脉冲地震动作用下,液化场地减震结构体系具有更大的地震响应;近场脉冲地震动作用下,速度型黏滞阻尼器的减震效果得到了充分发挥;相同振幅下,地震动峰值速度(PGV)与液化场地减震结构体系地震响应的相关性最为显著,可作为评价液化场地减震结构体系地震响应的主要指标。研究结果对液化场地黏滞阻尼器的减震设计具有一定的借鉴意义。     

青藏工程走廊冻土场地地震动特征初步分析

在分析青藏工程走廊冻土波速基本特征基础上,结合室内动三轴有关冻土动力学特性的试验结果,考虑不同超越概率的人造地震荷载作用,对青藏高原多年冻土场地地震动特征进行分析。冻土场地地震反应计算考虑了气候变化和工程活动引起多年冻土温度升高、活动层厚度增大的背景,分别对不同冻土场地条件地震动特征进行分析,明确了活动层厚度、融冻状态及冻土层厚度等因素对冻土场地的加速度放大效应、地基土应变及反应谱特征周期变化特征。研究结果表明,尽管地表峰值加速度放大系数随活动层厚度增加而增加,然而活动层土体厚度及状态的变化不足以改变场地的固有特性,对场地特征周期影响不明显。场地的固有特性随着冻土层厚度的变化而发生变化,冻土层厚度对地震动放大效应的抑制作用随着输入地震荷载的增大越为明显。冻土层厚度对场地特征周期值影响较大,场地特征周期随着冻土层厚度增加呈对数增大趋势。     

北京地区中硬场地地震动效应研究

依据典型工程场地的地震安全性评价报告,研究北京地区中硬场地地震动效应.首先,统计分析了地震安全性评价结果中的场地地震动放大效应.再利用201个工程场地的钻孔资料进行土层地震反应计算,分析不同地震动输入下的场地地震动放大效应.结果表明,北京地区中硬场地地震动放大效应明显,得到的场地地震动峰值加速度转换系数Ka高于《中国地...     

软土地基⁃浅基础体系地震反应数值分析∗

软土场地中的天然地基浅基础在强震作用下易产生失稳及震陷等破坏,在设计过程中充分考虑并利用其土结相互作用的影响,可以有效提高体系的抗震性能.基于OpenSees有限元计算平台,建立包含土结接触面的软土地基-浅基础二维平面应变模型,计算分析了不同地震动输入和基础上部荷载对体系地震动、基础震陷量和基底反力分布的影响,结果表明:强震作用下软土场地对地震动的放大作用减弱,但会产生大变形,因此抗震设计的重点应着眼于地基基础的大变形;上覆荷载大小对最终震陷值和震陷范围影响显著,而未改变震陷曲线间的相对形态;地震动能量的累积时间及累积速率影响软土地基-浅基础体系震陷的发展,抗震分析中应考虑场地设计地震动的有效持时和阿里亚斯强度;采用碎石桩等加固措施可改变基底压力分布形态,从而有效的提高体系的抗震性能.     

地震动入射角度对地下结构地震响应的影响

考虑土-结构接触面效应和场地初始静应力影响,基于大型商用有限元软件ANSYS和粘弹性人工边界条件,采用动力松弛法的分析思路,建立了一种地震动斜入射条件下地下结构的接触非线性动力反应分析模型和方法,并讨论了地震动入射角度对地下结构动力反应的影响。结果表明:地震波斜入射使得结构的整体反应发生明显变化;随着入射角度的增加,节点的水平向应力反应明显增大,竖向应力峰值较小,增大程度也相对较小;节点的位移峰值随输入加速度峰值的增大也有一定的变化。因此,在分析近源地震作用下的地下结构动力响应时,需要考虑地震动的非一致输入问题。     

渤海海底表层软弱土特征及其对地震动的影响

以渤海PL19-3油田工程场地为研究对象,利用钻探和剪切波速实测资料,根据中国规范GB50011-2001、美国规范FEMA-NEHRP和欧洲规范EC8,进行场地类别研究;通过地震动效应分析,得到海底表层软弱土对峰值加速度和反应谱的影响。结果表明,现行规范中的场地土类型划分标准是针对陆地场地土特征的,不能反映覆盖较厚的海底淤泥层的特征;海底表层软弱土对地震动加速度的幅值和频谱的影响非常明显,其对峰值加速度的放大倍数较高,但受土的非线性变形影响,随着地震动输入的增大,其放大倍数呈非线性降低,软土场地使得加速度反应谱谱形变宽,特征周期变大。本文的结果为开展海洋工程抗震标准、海域地震区划研究积累了相关基础资料。     

考虑变形缝影响的盾构隧道纵向抗震性能分析

盾构隧道通过设置变形缝可适应沿纵向的不均匀沉降和变形,但目前盾构隧道结构抗震设计尚未考虑变形缝的影响,且变形缝对盾构隧道的纵向抗震性能的影响机制尚不清晰。本文将盾构隧道简化为三维的等效梁单元,放置在粘弹性地基上,采用地基弹簧和阻尼单元模拟隧道与土体间的动力相互作用,并通过细观三维精细化模型来模拟变形缝,即采用沿环向分布的轴向拉压弹簧和切向剪切弹簧来真实模拟地震作用下的变形缝张开量和错位量等变形。综合考虑不同地震动输入方向和不同地震波频谱特性,对比分析盾构隧道有/无变形缝时的非一致地震响应特征,并对变形缝间距变化进行了参数敏感性分析,系统揭示了变形缝对盾构隧道纵向抗震性能的影响规律。分析结果表明:在隧道纵向布置变形缝能有效减小盾构隧道在地震作用下的轴力和弯矩,但随着变形缝间距的增大,减震效果显著降低。研究结论可为今后类似工程的抗震分析及变形缝设计提供指导。     

地震动差动作用下大跨度空间网壳结构的反应分析

选取100 m跨度的双层柱面网壳结构为研究对象,采用时程分析法,分别进行了结构在单向和三向地震行波输入作用下的反应分析,并针对多种视波速情况进行了研究,考查了地震动不同输入情况下结构杆件内力的分布特点,对其进行了对比分析,为大跨网壳结构的抗震设计提供了理论依据。研究表明,考虑行波效应会使结构部分构件内力有一定程度的提高,多维地震作用比单维地震作用下结构的杆件内力大。由此得出结论:对于大跨度空间网壳结构,应该进行多维非一致输入下的地震反应分析;为保证抗震安全,应对可能出现的地面视波速进行全面分析。