近断层场地中衬砌隧道对平面SH波的散射∗

采用间接边界单元法,求解断层场地中衬砌隧道对平面SH波的散射。首先,通过IBEM求解半空间波动问题的思路,在单层位势理论下,将虚拟荷载施加于散射体表面构造散射波场。然后根据交界面处位移连续条件和应力连续条件建立方程,进而求解得出虚拟荷载密度。半空间自由波场与散射波场通过叠加得出总波场,将得出的结果与现有的精确解进行对比,从而使本方法的计算精度得到验证。最后,通过求得的详细数值结果,讨论了半空间中断层场地和衬砌隧道对平面SH波的散射规律。数值分析结果表明:近断层场地衬砌隧道附近SH波的散射同无断层情况相比差异显著,动力反应特征主要依赖于不同断层倾角、隧道与断层距离、SH波入射角度、入射频率等参数。总体上看,SH波入射下,当衬砌隧道位于断层上盘时,断层的存在对衬砌隧道的动应力集中因子会有一定的缩小效应;当衬砌隧道位于断层下盘时,断层的存在对衬砌隧道的动应力集中因子会有放大效应,应力增幅可以达到30%。实际隧道结构动力分析宜根据实际工况考虑断层存在的影响。     

层状场地中任意形状沉积河谷对平面SH波的散射

利用间接边界元方法在频域内求解了层状场地中任意形状沉积河谷对平面SH波的散射;利用土层的精确动力刚度矩阵求解了应力和位移的动力Green函数;结合间接边界元法,研究了沉积河谷宽度、厚度、入射角、入射频率等对地表位移幅值的影响,并与按一维场地模型计算的结果进行了比较。研究表明,沉积河谷有明显的二维散射效应,与一维模型的计算结果差别显著。在工程场地地震安全性评价中,应合理考虑沉积河谷对场地设计地震动参数确定的影响。     

逆断层作用下复合衬砌输水隧洞损伤演化分析∗

复合衬砌是一种新型可承受高内压的输水隧洞衬砌结构,在穿越断层带时会由于断层错动作用发生破坏。 因此,对复合衬砌输水隧洞穿越逆断层的损伤演化分析具有现实意义。通过考虑多重荷载和不同结构层间的分离模式,建立复合衬砌输水隧洞?断层三维有限元模型,研究逆断层不同错动位移下复合衬砌结构损伤演化的过程,并对损伤状态进行量化评估。结果表明：逆断层作用下复合衬砌结构的损伤分为剪切损伤、拉伸损伤和失效破坏三个阶段。滑动面拱腰边墙处钢管受弯曲变形和局部屈曲耦合作用发生破坏是复合衬砌结构的最终破坏形式,破坏范围与滑动面呈“X”型分布向两盘延伸。由于不同材质性能和黏结特性的差异,断层作用导致不同结构层间发生脱离现象,脱离距离与错动位移呈正相关性。混凝土-钢管间脱离不同于混凝土-围岩间呈连续性分布,主要集中在钢管加劲肋附近。钢管内衬降低了混凝土开裂造成的内水外渗风险,增强了复合衬砌结构抵抗断层错动作用,提高了输水隧洞结构的安全裕度。     

地震作用下地裂缝场地地表动力响应特性研究∗

为了准确描述地裂缝场地动力特征,利用 ABAQUS 有限元软件建立了地裂缝场地三维动力数值分析模型, 定量分析了地裂缝场峰值加速度(PGA)、峰值速度(PGV)、Housner 强度(HI)和 Arias 强度(I_a )在不同地震作用下的变化趋势,获得了地裂缝场地动力响应规律,并与振动台模型试验结果进行了对比,表现出较好的一致性。结果表明：上盘的动力响应放大系数及影响范围均比下盘大,在地裂缝附近达到最大并向两侧递减,呈“λ”分布;随着地震烈度增大,土体软化程度增强,动力响应放大系数和裂缝两侧放大系数的差值逐渐减小;场地下盘的地震动长周期分量较丰富,平均周期相对上盘表现出较大的特性;在同一地震烈度不同输入方向引起的上、下盘动力响应中, 垂直地裂缝方向作用的地震波对场地破坏较为严重。其研究结果可为地裂缝场地的工程应用提供重要参考。     

SV波垂直入射盆山耦合场地对地面运动的影响∗

基于多次透射边界和有限元数值模拟方法,研究了 SV 波垂直入射下,山体高度、盆地深度、以及山体与盆地剪切波速变化对盆山耦合场地位移峰值放大系数、位移频谱及谱比的影响。结果表明：(1)盆地与山体均对地震波有放大作用,从坡底到坡顶位移放大效用逐渐增大,从盆地外边缘到盆地中心位移放大效应逐渐增大,但盆地内放大系数分布特征受盆地深宽比的强烈影响。(2)山体测点位移峰值放大系数 AF 随山体高度增大而增大;山体的存在减弱了盆地的地表地震动放大效应,导致盆地远离山体一侧的放大更强烈,反之亦然。(3)随盆地波速的减小或山体波速的增大,盆地 AF 最大值增大,且最大 AF 出现的位置向远离山体一侧偏移,而山体各测点的 AF 值受此影响较小。(4)山顶处谱比峰值主要受山高、盆地深度及盆地波速影响,但最大放大频率及分布特征基本不变;山体波速对山顶处谱比分布影响显著。盆地中点处谱比受各参数影响均较显著,但规律较复杂。盆山复合场地的地震动分析中需考虑二者的耦合效应对地震动的影响。     

场地动力特性对衬砌隧道地震反应的影响

采用间接边界元法(IBEM),研究了平面SV波入射下场地动力特性对衬砌隧道地震反应的影响问题。充分利用半空间格林函数和全空间格林函数在分别构造含孔半无限空间域和闭合域内散射波场方面的优势,将含有衬砌隧道的层状半空间分解为含孔层状半无限空间域和一个环形衬砌闭合域。在半无限空间域孔洞边界和闭合域边界各单元上分别施加虚拟均布荷载,进而求得半空间和全空间域内的位移、应力格林函数,然后根据边界条件确定虚拟均布荷载密度,最后求得衬砌内表面动应力集中系数。验证了方法的正确性,并以基岩上单一土层和基岩上三层土为例,计算分析了层状弹性半空间中隧道衬砌内表面动应力集中系数。结果表明,随着基岩土层刚度比的增大,动应力集中系数峰值减小;随着土层厚度增大,动应力集中系数峰值总体上呈减小趋势;对于不同土层层序,动应力集中系数峰值明显不同。     

活动断裂错动位移模式对隧洞变形与内力的影响研究∗

在考虑多种断层错动位移模式的基础上,建立穿越活动断裂带的隧洞数值模型,进行跨活断裂隧洞断层错动的数值计算,开展不同断层错动位移模式对隧洞衬砌的变形与内力的影响研究.选择断层带中隧洞结构变形的最可能的模式——固支梁支座垂直位移时梁的结构变形作为断层带错动位移模式,即为"S"型错动位移模式.考虑"S"型与"直线型"两种位移模式对铰接设计隧洞结构变形与内力的影响.结果 表明:考虑断层带错动位移模式下,错动作用时衬砌受影响的范围主要集中在断层破碎带附近,衬砌内力峰值出现在断层带与上下盘交界处;断层错动位移模式不同,断层错动时衬砌变形以及所受内力的分布规律基本相同.但衬砌拱顶垂直位移曲线、衬砌所受内力在断层带剧变程度以及峰值大小相差较大;"S"型位移模式相对于"直线型"在对铰接衬砌的变形以及受力上有较大的差异.在进一步研究断层错动位移模式时,可对跨断层隧洞的影响研究上考虑"S"型位移模式.     

饱和土半空间中地下圆形衬砌洞室对平面SV波的散射

在Biot饱和多孔介质动力学理论的基础上,利用Fourier-Bessel级数展开法,通过对含有衬砌洞室的局部场地进行波场分析,得到饱和土半空间中圆柱形衬砌洞室对平面SV波的散射问题的解析解。经验证,本文得到的解可以退化为半空间单相介质的情况。通过与已有的单相弹性介质半空间中圆柱形衬砌洞室对平面SV波散射问题的解析解的对比,验证了此解的正确性。在解析解的基础上,数值计算给出洞口动应力集中放大系数,分析了入射频率和孔洞埋深对柱面上的应力集中因子的影响。     

SH波作用下地表覆盖层与浅埋圆柱形夹杂的相互作用

利用复变函数法和多极坐标移动技术研究了SH波作用下地表覆盖层与浅埋圆柱形弹性夹杂的相互作用,并给出了圆柱形夹杂周边动应力集中系数的数值结果。首先,为了克服直接构造波函数场的困难,采用一个半径很大的圆形边界来拟合半空间的直边界,因而,具有地表覆盖层的半空间直边界问题就转化成了曲面边界问题,可采用大圆弧假定法求解;其次,借助Helmholtz定理预先写出问题波函数的一般形式解,再利用边界条件并借助复数Fourier-Hankel级数展开将问题化为求解波函数中未知系数的无穷线性代数方程组;最后,截断该无穷代数方程组,以求得该问题的数值结果。分析表明,半空间地表覆盖层的存在,即使其厚度很薄,对入射SH波的散射也具有很大的影响。     

SH波入射多个半圆形谷地浅埋圆孔的动力分析

应用辅助函数的思想，通过复变函数和多级坐标的方法给出了SH波入射条件下多个半圆形沉积谷地附近多个浅埋圆形孔洞动力分析问题的解答。求解过程中将整个求解区域划分成两部分来处理：区域Ⅰ为多个半圆形沉积谷地，区域Ⅱ为多个浅埋圆形孔洞附近带多个半圆形凹陷的半无限弹性空间。在区域Ⅰ和Ⅱ中分别构造位移解，并在二个区域的“公共边界”上实施位移、应力的连续条件，建立起求解该问题的无穷代数方程组。最后．给出了分析例题和数值结果．并对其进行了讨论。     

近似Rayleigh地震波作用下地下综合管廊响应分析

地下综合管廊是一种重要的生命线基础设施,目前对其抗震性能的研究还处于起步阶段。由于属于浅埋地下结构,故地震波中的面波、尤其是Rayleigh波可能会成为地下综合管廊破坏的控制因素。本文根据简谐Rayleigh波的特点,提出了近似Rayleigh地震波的概念,并在假定已知Rayleigh波水平分量的情况下,利用傅里叶变换求得近似Rayleigh地震波场。采用三维有限元模型,对地下管廊结构进行了地震响应分析。分析结果表明:本文建议方法可以有效地模拟波动的传播过程;地下综合管廊结构的变形以整体弯曲变形为主;结构顶面应变约为对应底面位置应变的两倍,与Rayleigh波沿深度衰减的规律相类似。     

输水隧道在行波激励下的三维地震反应分析

随着大规模调水工程的建设,穿越软土地区的浅埋输水隧道的抗震性能的重要性愈加突出,这就涉及到地震动的输入问题。而对于空间尺度很大的大型输水隧道,地震动输入的空间变化特性即多点输入对输水隧道的地震响应产生重要的影响。所以在考虑了衬砌-水体-围岩的相互作用的同时,还考虑了地震波有限波速传播所引起的行波效应及不同地震动激励方向对三维输水隧道的地震动的影响。结果表明:与地震动一致输入相比,行波效应将对输水隧道的地震响应产生不利的影响。     

浅埋衬砌隧道-邻近建筑地震动力相互作用IBEM模拟

采用高精度间接边界元方法(IBEM)考察地震波入射下隧道-邻近建筑物二维地震动力相互作用的规律。结果表明:建筑物与邻近隧道存在着明显的相互作用,整体动力反应规律取决于隧道,建筑物之间的空间位置关系、隧道埋深、入射波的频率和角度等因素。隧道位于建筑物正下方时,刚性衬砌隧道(相对围岩)对上部结构主要表现为隔震效应;隧道位于建筑物两侧时,隧道对建筑顶部位移有明显放大效应,最大可放大约40%。同时隧道应力也明显增大,最大可放大约43%。因此实际中需根据隧道-建筑物的空间位置关系,适当调整衬砌隧道与沿线建筑物的抗震设防水平。     

山岭隧道衬砌‑减震层体系动力响应研究∗

为了探寻隧道设置减震层时影响减震层减震性能的关键因素,建立了设置减震层的隧道有限元数值模型,将数值模型与振动台试验进行对比,验证了数值模型的可靠性。改变减震层设计参数和围岩条件,通过对隧道结构的主应变、相对变形率以及围岩的塑性区进行分析,研究不同参数条件下减震层的减震效果。结果表明：设置减震层后隧道加速度响应的传递函数在15~30 Hz 频段范围内减小,说明减震层通过吸收地震波中的高频成分,减小地震波能量向隧道的传递,进而减小隧道的地震响应。参数分析结果表明：减震层弹性模量越小厚度越大,减震层的减震效果越加明显,但隧道结构的相对变形率也随之上升。相比于增加减震层厚度,降低减震层弹性模量对减震效果的提升更为显著。在坚硬围岩中的设置减震层相比于软弱围岩减震效果更显著。     

SH波入射下阶跃基岩覆盖土层场地地面运动特征分析

利用二维显式有限元场地地震反应分析程序,把不同频谱特性的地震动作为输入基岩的SH波,探讨了阶跃基岩覆盖土层场地地震动空间分布特征,重点研究了覆盖土层厚度和土层性状对场地地表加速度峰值和反应谱的影响。研究表明:对于阶跃基岩覆盖土层场地,覆盖土层厚度变化对相应区域地表地震反应有较为明显的影响,对土层厚度不变区域的地表地震反应影响不明显。土层性状对阶跃基岩覆盖土层场地地表的加速度峰值和反应谱均有重要的影响。软土和上软土下硬土组合土层场地地表的加速度峰值要比硬土场地地表上的大。软土场地中反应谱的峰值要比硬土场地中反应谱的峰值大,硬土场地反应谱峰值对应的周期较短,软土场地反应谱峰值对应的周期较长。土层性状对地震动反应谱的影响,主要体现在短周期分量上。     

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。     

下穿隧道对地铁车站结构地震反应的影响研究*

针对下穿隧道对临近地铁车站地震反应的影响问题,本文采用数值模拟方法,基于 ABAQUS 平台建立了隧道下穿大开地铁车站的整体三维非线性数值分析模型,通过改变地震动类型和隧道与车站结构的交叉净距,从结构构件的破坏比和竖向变形等角度,定量分析了不同工况下隧道下穿对车站结构地震反应的影响,并与单体大开车站原型结构的地震反应进行了对比。研究表明：下穿隧道会增大地铁车站结构中柱和侧墙的破坏比(相应的最大增幅：中柱为 35%,侧墙为 26%);同时,底板的竖向变形显著增大,最大增幅达到 100%;随着交叉净距的增大, 中柱和侧墙地震反应减小,而底板竖向沉降有所增大;下穿隧道对车站结构地震反应的影响范围约为隧道直径的 3 倍。研究成果对隧道近距离穿越地铁车站结构的设计与分析具有一定的参考价值。     

阶梯型综合管廊非一致地震激励下的动力响应∗

基于有限元分析的方法,建立了管廊-土体结构相互作用的三维有限元模型,深入探究阶梯型双层多仓地下综合管廊在非一致地震激励下动力响应特性。通过模态分析,得到了现浇式、平口式和企口式三种接头形式阶梯型双层多仓综合管廊的自振频率和变形特征,计算了地下综合管廊在小震(0.05g)、中震(0.1g)、大震(0.2g)非一致激励条件下管廊整体、廊身和接头的动力响应。结果表明：三种接头形式的管廊均表现为破坏率先发生在接头处的扭剪破坏,且管廊接头处的应力水平要明显高于廊身应力,其中企口式接头尤为显著;在非一致地震激励下,管廊接头两侧点响应时程曲线体现了非常明显的响应非一致性,三种形式接头处的动力响应均以横向(X 向)和竖向 (Y 向)振动为主,以轴向(Z 向)振动为辅;随着地震力的提高,管廊顶板轴线上的位移在逐步增大,且平口式和现浇式管廊接头处均出现了明显的位移的突变,突变主要以横向为主,而企口式接头由于其良好的整体性,位移分布曲线较为连续,几乎没有发生突变;管廊的接头处出现明显的应力集中,现浇式和平口式接头的应力集中现象主要出现在角部,企口式接头主要出现在榫卯接头处和角部;现浇和平口式接头会出现“反喇叭口”式的变形和上下错动, 而企口式接头的整体性好,几乎未发生上下错动,但应力水平相比其他两种接头形式较高。     

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。