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。     

双仓地下管廊抗震性能振动台试验研究∗

借助振动台试验系统,应用 El Centro 原始地震波和不同频率正弦波开展了双仓地下综合管廊的相似模拟试验研究,模型中地基土为标准砂。结果表明：管廊侧壁最大动土压力响应沿深度呈倒立“W”形分布,并且在振动过后,管廊结构与周围土体之间的土压力场发生了改变;管廊侧壁沿深度最大加速度响应呈减小趋势,而随输入峰值加速度的增大而增大,由加速度响应时程曲线对比来看,管廊结构与其周边土体的运动模式基本一致;地震过程中结构角部的拉应变响应比各侧边中点更加剧烈,且随输入峰值加速度增大而增大;在 15 Hz 正弦波作用下,场地和管廊结构组成的体系地震响应最显著,各测点之间的地震响应差异在此频率下也最为明显,反映出振动波频率特性对地下结构地震响应的影响规律。     

震动强度对反倾层状岩质边坡动力响应规律的影响

通过振动台模型试验探讨震动强度对反倾层状岩质边坡动力响应规律的影响,着重分析边坡加速度响应峰值、加速度放大系数随震动强度增加的变化规律。结果表明:①随着震动强度增加,模型边坡各测点的加速度响应峰值不断增大,地震波频率和测点位置影响加速度响应峰值的增加方式;②震动强度对模型边坡各测点加速度放大系数的影响因地震波频率、测点位置的不同而有不同的表现。同一频率地震波作用下,相同高程的测点加速度放大系数随震动强度增加的变化规律相同;③0.20g是边坡变形破坏的临界加速度值;④震动强度的变化并不改变加速度响应峰值、加速度放大系数在边坡中的分布。该研究结果对高地震区的地质灾害防治具有指导和借鉴-意义。     

土体-结构界面接触对地下结构动力反应的影响

迄今为止,关于土体与结构交界面的接触效应对地下结构地震反应的影响尚未引起研究者们的重视,成果鲜有报道。本文基于接触面对法和非线性有限元波动分析方法,建立了考虑土体与结构界面接触效应的地下结构非线性地震反应分析模型和计算方法,并利用大型有限元软件ANSYS进行了求解。分析结果表明:土体与结构界面的接触效应对地下结构地震反应有明显影响,可能增大地下结构节点的峰值加速度、峰值位移和峰值应力反应;随着接触摩擦系数的增大,接触点的相对滑移逐渐减小,而接触应力的变化则无明显规律。     

土与结构接触特性对地下结构地震反应的影响研究

以大开地铁车站为工程背景,采用数值模拟方法,以中柱层间位移角为评价指标,在弹性土体与弹性结构接触、弹塑性土体与弹性结构接触、弹塑性土体与弹塑性结构接触三种工况下分别计算接触面为绑定、接触面摩擦系数为0.2和0.4时的结构地震反应,同时考虑结构-土体的相对模量对接触特性的影响。提取峰值加速度时刻、峰值位移时刻和峰值速度时刻中结构变形程度最大的时刻,将接触面为摩擦设置时的中柱层间位移角与绑定连接条件下的层间位移角数值进行对比分析。结果表明:当材料力学特性不同时,接触特性对结构反应的影响程度也不同。改变结构的埋深,研究不同围岩约束能力下接触特性对地下结构地震反应的影响,结果表明浅埋时接触特性对地下结构地震反应影响程度较大,深埋时影响程度较小,且对于浅埋结构,峰值加速度时刻为结构地震反应最大时刻,对于深埋结构,峰值位移时刻为结构地震反应最大时刻。     

考虑土⁃结构相互作用的安全壳隔震与支座数量优化∗

为了探究土-结构相互作用(SSI)对隔震的核电站安全壳在地震作用下隔震效果的影响,以及在此基础上对隔震支座数量设置的优化,选取CPR1000建立三维有限元模型,采用0.4g的LBNS地震波作用,通过ABAQUS有限元分析软件模拟计算在不同情况下,考虑SSI效应、不考虑SSI效应、隔震、非隔震,以及不同数量设置的铅芯橡胶隔震支座下的安全壳的地震加速度、位移响应。结果表明,对于非隔震安全壳,考虑SSI效应后最大加速度响应下降44.39%,最大位移响应增大了27.03%;而对于隔震结构,SSI效应影响相对较小,最大加速度及位移响应的变化分别为3.17%和10.73%。但在考虑位移响应下,SSI效应仍不可忽视。随着隔震支座设置数量增大,隔震层的刚度和阻尼增大,在考虑SSI效应下,安全壳的最大加速度响应近线性缓慢增大。而最大位移响应在数量100～300阶段迅速减小,在数量300～600阶段减速则趋于平缓。在数量达到300后,继续增加数量位移减小效果不明显,而加速度将有所增加。因此选取300作为较优的隔震支座数量设置。     

随机地震作用下悬浮隧道锚索的动力响应分析∗

研究了悬浮隧道锚索在地震与水动力共同作用下的动力响应。通过将悬浮隧道锚索简化为欧拉梁模型,建立悬浮隧道锚索受到水动力和地震共同作用振动的运动方程。采用分离变量法和伽辽金法求解运动方程,并使用四阶龙格-库塔法求解得到悬浮隧道锚索的位移响应情况。采用三角级数法模拟生成人工地震波,并选用了三种著名的地震记录,对悬浮隧道在不同地震波激励下的关键结构参数对锚索位移响应进行数值分析。结果表明:(1)地震的加速度越大,锚索的运动响应越剧烈,产生的位移和能量越大。地震波的峰值加速度出现时间和大小也对锚索的峰值振幅有一定影响。(2)参数频率和阻尼比等因素对锚索的位移都有重要的影响,但在不同的地震作用下影响程度不同。通过控制参数频率和阻尼比可以减小地震对悬浮隧道锚索及整体结构的破坏效果。     

地震、列车竖向荷载共同作用下大跨桥梁的动力响应分析

以地震、列车荷载共同作用下的大跨桥梁为研究对象,基于有限元分析软件,建立了地震波斜入射下包括地基土体在内的车-桥耦合动力数值分析模型。通过改变地震波的入射角度及车速,对桥梁的动力响应进行了计算分析。结果表明,地震波入射角度对桥梁的动力响应有显著的影响,随着入射角度的增大,跨中竖向位移、速度都不断地增大;在地震作用下,列车速度对桥梁动力响应的影响相对较小,桥梁结构的动力响应并不总是随着列车运行速度的增加而增加,而是在某一速度达到最大;考虑土-结构动力相互作用(SSI)时,桥梁参考点处的竖向位移显著增大,而跨中弯矩有所减小。     

基于动土压力响应特性的黄土滑坡振动台试验研究∗

为了探讨地震作用下动土压力沿高程和滑面的响应规律,通过大型振动台实验输入X向和Z向地震波,输入幅值逐级增大直到边坡破坏,对沿滑面和沿高程的5个土压力传感器的动土压力峰值分布规律进行分析,并利用基于小波变换的能量提取工具对加载X向和Z向的EL波进行分解,分析其在不同频带的动力响应特性,并进行了加速度峰值分析与动土压力峰值的组合响应分析。研究结果表明:(1)土压力沿高程和滑面都呈现非线性增加的趋势,加载X向地震波对滑面土体应力影响较为显著,而加载Z向地震波对坡顶面附近土体应力影响较为显著,且加载Z向地震波土压力沿高程放大趋势比加载X向地震波更明显;(2)输入加速度峰值0.6g时,滑体开始向下滑动,贯通破裂面的产生和动土压力峰值以及加速度峰值同时突变可作为边坡破坏的依据;(3)使用基于小波变换的能量提取工具对各频段的能量进行提取,发现第一频段的能量占比在95%以上,说明第一频段内土体响应最为剧烈,黄土边坡对地震波运动过程中高频部分具有"滤波作用",因此进行防护设计时应把这一现象作为设计的考虑因素之一。     

地铁振动作用下上部正交综合管廊动力响应试验研究∗

为揭示地铁振动荷载作用下上部正交管廊的动力响应规律,采用缩尺物理模型试验的方法,利用激振电机模拟地铁列车运行时产生的振动荷载,研究地铁隧道?黄土地基?综合管廊传播路径下地铁运行振动的传播规律及管廊结构的动态响应特征。试验结果表明：地铁运行产生的振动由隧道顶部向上部土体传播的过程中表现出先骤减后缓慢减小的规律,加速度响应主要集中于隧道上部 40 cm（原型 4 m）区间,动态土压力则在隧道顶与其上部管廊垂直间距 80 cm（原型 8 m）全段均有较明显的响应。上部正交综合管廊顶、侧、底板与周围土体的动态接触压力响应明显,并且在相同振动荷载作用下表现出相对稳定的比例关系。随着地铁振动荷载的增强,上部正交管廊的结构加速度响应逐步增强,而管廊结构与周围土体的动态接触土压力增长幅度更为显著。     

深厚软弱场地地震反应特性研究

以南京、盐城、上海的 3个典型场地作为长江下游地区深厚软弱场地的代表 ,探讨了深厚软弱场地的地震效应特性。首先 ,利用南京工业大学岩土工程研究所自行研制的GZZ 1自振柱试验机 ,对 3个典型场地的原状土样进行试验研究 ,获得了各类典型土的动剪切模量和阻尼比随剪应变的变化曲线 ;其次 ,选用Taft、ElCentro和Northridge地震记录作为输入地震动 ,将Taft、ElCentro和Northridge地震波加速度时程的峰值水平调整为 0 .35m/s2 ,0 .70m/s2和 0 .98m/s2 ,利用程序SHAKE91对 3个场地进行了输入不同地震波、不同峰值加速度水平的 2 7种组合的地震反应分析。数值分析表明 :场地条件和基岩输入地震动特性对土层的地震加速度放大效应有显著影响 ,地表处的地震加速度放大系数随着输入地震波峰值的增加而减小 ,土层内部的这种规律性不如地表处表现得明显 ;地表软弱土的存在使土层地表处的地震加速度放大系数急剧增大 ,场地内部软弱土夹层处的地震加速度放大系数急剧增大 ,强震时易失效 ;互层土特殊的层理构造会造成该土层的剪应变幅值急剧增大。     

地基基础与建筑场地类别划分

基于与建筑地基震害密切相关的地基土性状及基础条件,讨论了岩土工程勘察设计工作中关于场地土和建筑场地类别划分的主要依据,提出了对我国现行《建筑抗震设计规范(GB50011 2001)》进行基础埋深、覆盖层厚度和复合地基的地基土性状的修正, 并经场地土层地震反应分析论述了进一步划分建筑场地类别的必要性和可能性。以北京的2个典型工程场地为代表,分别讨论了基础埋深和覆盖层厚度对建筑场地类别划分的影响,并通过场地土层地震反应分析,得到自然地面上、基础埋深处土层的反应谱,同时也计算了在考虑或不考虑低速粘性土夹层情况下对土层地震反应结果的影响程度。最后,根据综合峰值加速度、加速度反应谱最大值的对比结果认为对原有的建筑场地类别划分方法有必要进行修正。     

爆破地震作用下桩-土-结构相互作用的数值模拟

土-结构动力相互作用是地震工程和结构抗震的重要研究内容,但目前对爆破地震作用下土-结构动力相互作用的研究较少。运用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA,建立了桩-土-结构相互作用体系的三维有限元模型,由桩尖输入实测爆破地震波,取得了良好的计算效果。计算结果表明:考虑桩-土-结构相互作用后,群桩基础中每个桩的位移、加速度和剪应力幅值均呈桩顶大、桩尖小的倒三角分布,桩与承台的接合部比较容易受到损坏;桩-土-结构相互作用体系在爆破地震波冲击后,还会发生几次振动,但是这些振动产生的影响要小于爆破地震产生的影响,这与实测结果相符合;爆破地震波冲击下,群桩基础中,角桩顶部表面的桩土接触压力较大,但在爆破地震波冲击后,中心桩顶部表面的桩土接触压力较大,且具有一定的周期性,直至衰减为零。     

电力工程建设场地设计地震动参数的研究

以江苏某电厂为例,采用概率法对其工程场地进行地震危险性分析,确定基岩水平向地震加速度时程,并根据场地土的静、动力性能参数的测试结果,采用等效线性化考虑土的非线性特性的影响,利用一维波动模型进行场地土层地震反应分析和地震动效应分析。文中得到了50年超越概率63%、10%和3%的地表水平向地震动峰值加速度和反应谱,将所得结果与电力工程相关规范作了一些比较,指出了相关规范中的一些不足,提出应对大型电力工程场地的设计地震动参数做专门的研究。     

土-桩-框架结构非线性相互作用的精细数值模型及其验证

利用有限元软件ABAQUS,建立了土-桩-框架结构非线性相互作用(SSI)的二维精细有限元模型,分别采用记忆型粘塑性嵌套面模型和损伤塑性模型模拟土体和混凝土材料,采用梁单元和rebar单元模拟RC桩基及其内部纵筋,采用接触面对法模拟桩土接触效应,取得了良好的计算效果。将自由场、框架、土-桩-框架结构模型的分析结果和其它成熟的计算软件进行对比,验证了数值模型的有效性。分析发现:桩基外侧靠近承台处的土体的非线性反应很强烈,而桩基内部土体的非线性反应较小,很大程度上只是跟随群桩一起运动。由于桩土动力接触,桩顶的加速度反应可能超出上部结构,并且桩顶的加速度时程曲线上有非常明显的"针"状突变。随着地震动强度的增加,上部框架逐渐表现出单自由度体系的动力特征,加速度反应谱有从多个波峰退化为单一波峰的趋势。     

本构模型特性对深厚场地非线性地震反应的影响

采用基于Davidenkov和Matasovic骨架曲线构造的不规则加卸荷应力—应变滞回圈,数值模拟了2个剖面的苏州第四纪深厚场地二维非线性地震反应。结果表明:(1)采用Matasovic模型计算的地表峰值加速度稍大于采用Davidenkov模型计算的地表峰值加速度,但前者计算的地表地震动持续时间稍小于后者计算的。随着基岩输入地震动强度的增大,两者给出的地表峰值加速度差异呈现逐渐增大的趋势,并与土体的横向不均匀特性有关;(2)两者给出的地表谱加速度谱形基本相似,其差异随基岩输入地震动强度的增大而增大;远场地震动作用下地表谱加速度的卓越周期也随输入地震动强度的增大而增大;(3)两者给出的峰值加速度随土层深度和横向的空间变化特征基本一致,远场地震动作用下的地表峰值加速度明显大于近场地震动作用下的地表峰值加速度。     

水泥土桩复合地基场地地震效应分析

将复合地基加固区视为均质体,采用课题组提出的基于Davidenkov骨架曲线的土体动弹塑性模型描述复合地基加固区和非加固区土体的动应力-应变关系,基于大型有限元软件ABAQUS的操作平台,开发了土体动粘弹塑性模型的子程序。选择南京某典型软弱场地为研究对象,采用ABAQUS软件进行了复合地基二维弹塑性地震反应分析,研究了输入地震动强度和频谱特性、水泥土桩加固宽度和深度、复合地基模量对复合地基场地地震效应的影响。结果表明:输入地震动强度和频谱特性对复合地基地震效应影响较大;复合地基加固区地表的峰值加速度反应较自由场的反应明显减小,而加固体区外侧地表的峰值加速度反应较之自由场的反应可能增大;复合地基地表的峰值加速度反应随着水泥土桩加固深度和复合模量的增加而减小,而与加固宽度无关。