软土地区地表结构对盾构隧道地震响应影响的风险分析

本文基于ABAQUS有限元软件建立了软土地区地表结构-土-隧道相互作用的非线性有限元模型,地表结构采用置于刚性筏板基础的单自由度体系模拟。考虑地表结构的有无,不同的土体模型及地震荷载,通过水平地震作用下的动力时程反应分析,研究了地表结构对盾构隧道周围土体以及衬砌地震响应的影响。研究表明,地表结构的存在会增大隧道周围土体地震响应,从而引起隧道结构变形以及动态内力的显著增加,同时发现采用弹塑性分析下的隧道地震响应大于采用黏弹性分析。因此,地表结构作用是影响盾构隧道响应的重要因素,综合分析地表结构-土-隧道作用下的结构动态响应有助于更合理的预测地震荷载下盾构隧道结构安全风险。     

地下结构抗震拟静力试验研究现状及展望∗

拟静力试验由于几何缩尺比较大、可采用真实材料及可实现破坏性试验等优点而被广泛应用于地下结构抗震问题研究中。由于试验对象的不同,地下结构抗震拟静力试验可分为构件层面、结构层面及土-结构体系层面。列举了一些近年来开展的各层面下典型地下结构抗震拟静力试验,分析了各类拟静力试验的优缺点,探讨了地下结构抗震拟静力试验的发展趋势,介绍了弹簧-地下结构体系拟静力推覆试验方案,基于此方案开展了试验,并采用数值模拟手段初步验证了试验方法的有效性,总结了弹簧-地下结构体系拟静力推覆试验设计中的重、难点,为地下结构抗震拟静力试验的发展提供参考与借鉴。     

双线地铁盾构隧道的拟静力弹塑性抗震分析∗

目前地铁抗震设计规范中常用的地下结构抗震设计方法主要是位移响应法和应变传递法。这两种方法都是基于弹性假设,不能体现土体和地下结构的非线性。在刘晶波提出的地下结构Pushover分析方法的基础上,利用自主编制的一维土层地震反应分析软件APALS给出了随着地震动幅值增大而逐渐变化的地震荷载加载模式,并针对实际的双线地铁盾构隧道进行了拟静力弹塑性抗震分析,对其抗震性能进行了评价。结果表明:(1)隧道内力趋于一个极限值;(2)隧道的内力在θ=45°、135°、225°和315°的位置最大;(3)在隧道尚未破坏时,隧道周围的土层已经先达到破坏状态。     

圆形和直墙拱形地下隧道地震反应数值模拟对比分析

考虑土与结构动力相互作用的影响,将地基土—地铁区间隧道结构体系视为平面应变问题,建立了土—地铁区间隧道非线性动力相互作用的有限元分析模型,对圆形和直墙拱形隧道的地震反应进行了数值模拟;分析了在相同的埋深和场地条件的情况下不同隧道结构形式在不同地震动作用下的应力、加速度和相对水平位移反应特性。结果表明:圆形隧道结构的应力和相对水平位移反应明显小于直墙拱形隧道。从抗震设计角度考虑,选择隧道形状时应优先采用圆形隧道。     

地下结构抗震分析中若干土层模拟方法对比研究

动力时程在地下结构抗震分析中应用广泛,土体动力特性的准确模拟对动力时程分析结果有重要影响。介绍了Rayleigh阻尼和Hardin-Drnevich模型的基本理论,验证了等位移边界条件的有效性。从地表加速度响应和加速度幅值沿深度放大两方面,对比分析Mohr coulomb模型、Shake91、Rayleigh阻尼和Hardin-Drnevich模型在2Hz和8Hz正弦波作用下的响应结果。结合理论分析得出:静力Mohr coulomb模型对动力时程分析适用性有限;建议在地下结构抗震分析中采用场地基频与接近地震波主频固有频率计算Rayleigh阻尼参数;Hardin-Drnevich等粘弹性非线性模型比等效线性化方法更适用于地下结构抗震分析。     

越江电力地下综合管廊结构横向抗震性能研究∗

针对越江气体绝缘输电线路(GIL)综合管廊结构的特殊性,考虑内部混凝土支架与盾构隧道的动力相互作用,以及盾构隧道穿越地层的不同,建立了土?管廊结构非线性动力相互作用的整体计算分析模型,从结构变形、盾构管片张开量、结构地震损伤等方面详细分析了越江 GIL 综合管廊结构的抗震性能。结果表明：越江 GIL 管廊结构内部混凝土支架结构明显要先于外部盾构隧道发生地震损伤;当 GIL 管廊结构穿越相对较软土层时的地震损伤明显加重;受制于内部混凝土支架的约束作用,盾构隧道的下部管片张开量明显小于上部管片计算值,同时外侧残余张开量要明显大于管片内侧残余张开量。     

地铁隧道地震反应数值模拟与试验的对比分析

根据可液化土层上土-地铁隧道结构动力相互作用大型振动台模型试验结果，以软件ABAQUS为平台，将地基土-地铁隧道结构体系视为平面应变问题，采用记忆型嵌套面粘塑性动力本构模型和动塑性损伤模型分别模拟土体和隧道结构混凝土的动力特性，建立了土-地铁区间隧道非线性动力相互作用的有限元分析模型。对各种试验工况下地基土-地铁隧道结构体系的地震反应进行了数值模拟，并与试验结果进行了对比。结果表明：数值模拟与振动台模型试验结果基本一致，呈现出相似的规律性，相互验证了基于ABAQUS软件的力学建模和振动台试验结果的正确性。     

软土地下建筑物的地震响应及动力可靠性分析

在软土室内动力试验和有限元有效应力动力反应分析方法的基础上,引进可靠度理论,提出软土地下建筑物抗震稳定可靠性分析方法,对上海地铁一号线位于砂性土层及粘性土层这两种典型地质条件下的地铁车站及区间隧道的抗震稳定性进行了计算分析。计算中选用国内外6条强震地震记录曲线作为地震输入,计算分析内容包括:隧道、地铁车站、周围土体及注浆材料的动应力、孔隙水压力和震陷;地铁车站和周围土体的动力可靠度。所得结论可为软土地下建筑物抗震设计提供参考依据。     

土-大型地铁地下车站结构动力接触效应研究

以苏州地铁一号线的星海站为工程背景,考虑土与地铁车站结构非线性动力相互作用效应,分析了土与地下结构接触面的动力分离与滑移效应、土与地下结构接触面上动土压力和动摩擦力的分布规律与反应幅值,以及动力接触效应对地铁车站结构动力反应的影响规律。研究结果表明:强地震发生时,在地铁地下车站结构侧墙顶端,出现了土与结构接触分离现象,在车站结构顶底板处,土与结构产生了相对滑移现象;考虑动力接触效应时,地下结构总体动力反应是变小的。给出了车站结构侧墙上动土压力分布规律及其动土压力系数,以及车站结构顶底板上的动土压力分布规律及其反应幅值。研究结果对进一步了解土与地下结构的动力接触效应及其对地下结构动力反应的影响,具有一定的参考价值和指导意义。     

强地震动作用下地基土-地铁隧道结构的动力接触效应

将地基土-地铁隧道结构体系视为平面应变问题,采用记忆型嵌套面粘塑性动力本构模型和动塑性损伤模型,分别模拟土体和隧道结构混凝土的动力特性,用点-线接触单元模型描述强地震动作用下地基土-地铁隧道之间的相对滑移,利用罚函数法和拉格朗日乘子法求解动力接触效应,建立土-地铁隧道非线性动力相互作用的有限元分析模型,分析了动力接触效应对地基土-地铁隧道之间的法向接触压应力、切向接触剪应力和切向滑移的影响规律。结果表明:罚函数法比拉格朗日乘子法更适用于求解强地震动作用下地基土-地铁隧道之间的动力接触问题;与地基土-地铁隧道变形协调假定的计算结果相比较,动力接触效应使地铁隧道的地震加速度反应有所增大。     

多层钢框架结构的区域震害模拟多自由度模型∗

传统的易损性分析方法难以满足城市区域震害预测的需求。基于非线性多自由度层模型和动力时程分析的城市抗震弹塑性分析方法近年来得到快速发展。为了进一步丰富区域震害模拟的可模拟结构类型,基于城市抗震弹塑性分析方法的流程框架,建立了多层钢框架结构的多自由度剪切模型。通过统计规范中的公式参数和文献中的钢框架推覆结果,对模型的周期、阻尼比、骨架线参数和滞回曲线参数进行了标定,并根据文献和美国 HAZUS 报告给出了多层钢框架结构的损伤判别准则。最后,分别使用文献中的试验结果和文献中设计实例的推覆分析结果对模型进行了验证。结果表明:(1)建立了多层钢框架结构的多自由度剪切模型并进行了参数标定,为区域震害模拟提供了可用模型;(2)对多层钢框架结构的损伤判别准则进行了标定,可以根据区域震害模拟结果评价其破坏状态;(3)在考虑骨架线参数不确定性的情况下,模型精度满足区域震害模拟的要求。     

RC框架结构地震倒塌风险近似评价方法的精度对比

增量动力分析方法(IDA)是目前评价RC框架结构抗地震倒塌能力最精确的方法,但是计算量大、耗时长,在工程实际中难于应用。现阶段已经提出了多种简化评价方法,可显著提高工作效率,便于工程人员应用,但是对其精度缺乏合理评价。本文介绍了三种常用的简化评估方法,基于静力推覆分析和塑性需求曲线方法;基于静力推覆分析并利用抗倒塌储备系数(CMR)与位移安全储备系数关系方法;基于抗倒塌能力谱法,用这三种方法计算了6个RC框架结构在罕遇地震下的CMR和倒塌率,并与其IDA计算结果进行对比,分析了三种简化评估方法的精度。结果表明三种简化计算方法中基于静力推覆分析和塑性需求曲线方法精度最高,基于静力推覆分析并利用抗倒塌储备系数(CMR)与位移安全储备系数关系方法和基于抗倒塌能力谱法计算更简单快捷。     

考虑既有建筑最不利方向的抗震能力评估方法

主要研究在役结构的抗震性能评估方法。首先,在前人研究的基础上,给出了在役结构的力学模型;其次,通过对2次小震的动力时程分析,得出结构的最不利方向,并在此方向上利用三维分析程序CANNY 99,对结构进行Pushover分析,将得出的结构能力曲线与由实际地震波得到的需求谱叠合,求出结构性能点,进而评估结构的抗震性能。通过一算例具体说明该方法的应用步骤,并由程序输出结构在到达性能点时的梁柱破坏情况。本文从钢筋锈蚀和混凝土老化这两个方面考虑使用年限对结构的影响;同时,从结构的最不利方向对结构进行Pushover分析,考虑了结构在地震作用下柱子双向受弯的特点,更加符合实际情况。     

近场地震作用下框架结构的损伤机理

首先讨论了近场地面运动的特征及各种抗震规范对近场地震的设防，然后采用非线性时程分析方法，对一个10层框架结构在近场地震作用下的响应特性进行了研究。同时对该框架结构进行了Pushover分析，通过与非线性时程分析结果进行对比，说明Pushover分析方法不能正确评估结构在近场地震作用下的抗震性能。     

一种基于滞回耗能的改进pushover分析方法

将结构静力弹塑性分析与地震反应谱结合起来的Pushover方法作为一种简单而有效的结构抗震能力评价工具，目前已在我国逐渐得到推广。在已有的研究基础上，通过一种基于滞回耗能的自适应Pushover分析，将滞回耗能引入到Pushover分析中，且采用自适应的加载方式来考虑高阶振型的影响。对一中等高度的结构进行推覆分析，结果表明，所提方法对结构响应的估计与时程分析更为接近，尤其是在受高阶振型影响比较明显的层间位移方面，具有较高的计算精度。     

基于离散时间传递矩阵法的变截面刚构桥-地震时程分析方法

为提高变截面刚构桥地震动力时程分析的计算效率,提出了基于离散时间传递矩阵法的时程算法。首先,从欧拉梁的动平衡方程出发,结合逐步时间积分法的线性化方法,基于离散时间传递矩阵法推导了欧拉梁的单元传递矩阵;然后,将变截面刚构桥离散为平面杆系结构,依据张量变换原理将单元状态矢量转换至整体坐标系下,借助分叉点处的协调条件和平衡条件建立了离散体系的整体传递矩阵;最后,借助数值仿真软件,考虑地震荷载的多点输入影响,采用逐步数值迭代求解的方式实现了变截面刚构桥的地震动力时程分析。以某变截面刚构桥为算例完成仿真计算,并与有限元法就数值计算精度和计算效率进行了对比讨论,分析结果论证了本文所提算法的有效性和高效性。     

竖向不规则钢-混凝土混合框架静力非线性分析

根据高阶振型对结构位移的贡献,提出基于多振型侧向力分布形式用于竖向不规则结构的静力非线性分析。通过静力非线性分析和动力时程分析结果的对比,验证了侧向力分布形式的准确性。为研究不规则程度对混合结构非线性行为和破坏模式的影响,改变混凝土框架的刚度和强度形成6个竖向不规则混合结构。通过对不规则混合结构层间能力系数的计算,初步判断混合结构刚度和强度的竖向不规则分布特征,评估可能存在的薄弱层和结构破坏模式。采用所提出的侧向力分布形式分别对结构模型进行静力非线性分析,得到混合结构模型的塑性铰开展特征和层间位移角分布,结果表明:混合结构刚度和强度的不规则程度直接影响结构非线性行为和破坏模式,较均匀的层间能力系数分布能够避免结构中出现明显的薄弱层,使结构破坏模式更加合理。     

盾构隧道的开挖模拟及地震反应数值分析

由于盾构隧道掘进的特殊施工工艺,使开挖模拟的数值计算存在着诸多难以量化的因素。采用应力释放法模拟盾构隧道的开挖,在衬砌和土体之间设置等代层单元模拟盾构施工的影响,求得竣工期的应力场和位移场。在静力计算基础上运用动力有限元时程分析法,采用粘性人工边界条件,分析了隧道衬砌在地震过程中的最大响应。其结果和规律可为一般的盾构隧道地震反应分析提供借鉴。     

场地液化危害的概率分析

为使场地液化危害程度的估计建立在以概率论为基础的可靠性分析之上,本文提出二种估计场地液化危害程度的概率方法,二种方法分别采用不同的途径处理地震和岩土的不确定性,不仅分析了一点液化的概率,而且提供了估计整个土层住状液化概率的方法,文中最后通过算例简要讨论了液化概率分析结果的工程应用。     

均质土坝非平稳随机地震反应分析

考虑地震荷载的随机性及强度、频率的非平稳性,基于作者提出的适用于非平稳随机过程的一般随机地震动模型,采用虚拟激励法,建立了非平稳随机地震反应分析方法,并将其应用于某实际均质土坝动力分析中。土石坝及坝基体系采用整体有限元离散,坝体和坝基材料的动力非线性性能以等效线性化方法考虑。首先,基于目标加速度时程的强度和能量信息,确定了作为输入的加速度时—频演变功率谱密度;其次,比较了确定性时程动力分析和非平稳随机分析的结果,探讨了频率非平稳随机地震激励下的土石坝地震反应特性;最后,比较了2种不同坝基条件下的土石坝非平稳随机地震反应,探讨了频率非平稳随机激励下的土石—坝基动力相互作用。分析结果表明:地震动的频率非平稳性对土石坝动力反应有一定影响;坝体—坝基动力相互作用在地震过程中的不同阶段表现有所不同,主震阶段的相互作用显著。