软土中浅埋地铁车站结构的抗震性能分析

两侧采用粘弹性人工边界,底部为全约束,建立合理的土与地下结构相互作用模型,通过有限元软件分析,比较研究土—地下结构相互作用分析中埋深、土层分布和结构类型等因素对地下结构抗震性能的影响。结果表明,埋深对地下结构影响比较大,选择合适的地质土层和结构类型能大大提高结构抗震性能。     

地震作用下土⁃结构相互作用的简化时程分析∗

基于黏弹性边界和将场地地震反应转化为等效荷载的有限元直接法是目前进行土?结构相互作用分析的常用时程分析方法之一。该方法具有严格的理论基础且计算精度较高,但在商业有限元软件中施加黏弹性边界和由场地反应确定的等效地震荷载时,需要使用者编制程序书写命令流文件。本文建议一种动力时程简化分析模型, 即计算模型侧边界采用滚轴或绑定边界、底边界强制自由场反应。首先基于一维等效线性化场地反应分析软件 EERA,明确了分别给定岩石地表记录、基岩记录和场地地表记录条件下,正确实现场地反应分析的做法,表明在相同地震下三种分析能够得到相同的场地反应结果;然后给出动力时程简化分析过程;最后通过一层两跨地铁车站的地震分析,表明该方法具有较高精度,满足工程需求。     

隧道纵向抗震分析的反应加速度方法∗

为研究隧道纵向地震响应,首先将隧道结构的动力问题简化为地震变形场作用下的土?隧道拟静力相互作用问题,推导了土?隧道拟静力相互作用模型的反应加速度方法。针对规范提供的纵向位移模式,给出相应反应加速度方法的等效惯性力公式及模型边界条件,最终建立基于规范位移模式的隧道纵向反应加速度方法。在与整体式反应位移方法对比验证的基础上,开展不同场地条件及不同隧道埋深下的隧道纵向响应规律研究。数值模拟结果表明：(1)当场地条件和埋深相同时,隧道弯矩随场地水平位移的增加而增加,而剪力、扭矩具有相反的变化规律; (2)场地条件对隧道纵向响应的影响较大,场地越软,隧道剪力越小,而弯矩和扭矩越大;(3)在 50 m 覆盖土层厚度内,随隧道埋深的增加,隧道剪力、弯矩逐渐减小,而扭矩基本保持不变。     

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。     

场地剪切波速对核电厂结构地震响应的影响∗

利用土—结相互作用的ACS SASSI动力分析程序,对某核电厂厂房建立三维有限元模型并进行地震响应计算,与简化的集中质量杆模型的地震响应对比分析,得到在水平方向上二者的振动特征相似,但三维有限元模型能更真实地反映结构的动力特性,尤其是竖向的局部模态.在场地剪切波速400～2400 m/s时,选取9种不同剪切速值,用ACS SASSI程序进行不同场地条件下核电厂房结构地震响应计算分析.结果 表明,随着场地剪切波速的增大,结构响应的卓越频谱成分有向高频移动的趋势;在低频部分,剪切波速较小的场地上结构地震响应较大;在高频部分,场地剪切波速较大的结构地震响应较大;对于非基岩场地的厂址,需要重视结构的低频反应.在一定的剪切波速范围内,结构响应的峰值加速度和反应谱的峰值均随着场地剪切波速的增大而增大,而峰值加速度对于剪切波速小的场地更为敏感.     

软岩地基下AP1000核电屏蔽厂房结构地震响应研究

以AP1000核电屏蔽厂房结构为研究对象,进行考虑土-结构相互作用的地震响应分析,探讨不同厚度和不同地表倾斜角度软岩场地对屏蔽厂房结构地震响应的影响。利用ABAQUS有限元软件建立了软岩层厚度分别为25、30、35、40m以及地表倾斜角度分别为0°、3°和6°的土-结构相互作用模型,实现了地震动输入。对计算所得楼层响应谱进行对比分析可知,软岩层较硬岩层对地震传播有一定的放大效应,软岩层厚度的增加会使峰值频率往低频方向移动;倾斜场地对楼层响应谱高频部分有一定的放大效应。该研究结果对软岩场地下核电厂抗震安全评价具有一定参考意义。     

土-结构相互作用振动台试验模型简化方法探讨

考虑到地震模拟振动台本身的承载能力限制、土体及边界条件模拟的复杂性、模型缩尺比例不能过小等因素,提出了一种在地震模拟振动台试验中简化考虑土-结构相互作用的方法,并以某海上高耸塔结构为例说明了该方法的可行性。利用有限元软件ETABS9.0.0建立了两个三维有限元模型:考虑土-结构相互作用模型(模型A)和简化模型(模型B)。其中,模型B上部结构与模型A相同,通过模态分析、反应谱分析和时程分析反复调整基础结构形式,使两个模型的上部结构地震反应相同。调整得到的模型B,即为考虑土-结构相互作用的简化模型,可为土-结构相互作用地震模拟振动台试验提供参考。     

基于数值统计的浅埋地下结构地震动强度指标与抗震性能水平划分研究∗

现阶段地下结构易损性分析还处于初步研究阶段,以单层双跨的日本大开车站为原型,建立了土与单层地下结构动力相互作用的有限元模型。首先根据地震动的频率,选取地震动;再采用增量动力时程分析方法（IDA）,给出了地下结构地震损伤状态的判定与定量划分方法,最后挑选出合适的地震强度指标（IM）。分析结果表明,基于 PGA（地表峰值加速度）/PGV（地表峰值速度）分类的地震动记录在 IDA 曲线上表现出显著的差异,地震动选取的合理性以及随机性是地下结构地震易损性曲线客观性的重要保证;峰值地面加速度（PGA）与场地土层顶底峰值相对位移（PSSRD）均可作为该类浅埋矩形地下结构地震易损性分析的有效且合适的地震动强度指标。基于场地的非线性地震反应特征,对于深埋地下结构的地震动强度指标还有待进一步研究。     

多层立交隧道复杂节点结构地震响应特性分析

以南京某工程的多层交叉节点结构大型振动台试验为基础,基于ABAQUS有限元软件,采用一致粘弹性边界模拟土体的边界条件,建立考虑土-节点结构动力相互作用的三维有限元模型,分析各试验工况下的结构及土体的地震响应,与试验结果进行对比,验证模型的正确性,在此基础上,分析原型结构的地震响应特性。结果表明:数值模拟结果与振动台模型试验的结果基本一致;多层立交隧道节点结构的破坏程度与其埋深密切相关,埋深越大破坏程度相对减小,多层立交隧道节点结构的薄弱环节主要集中在板与侧墙、中墙的交界处,且结构的地震动特性在很大程度上受周围土体的性质的影响。     

土体约束特性对地下结构地震反应的影响研究

针对土体对地下结构的约束效应,从相对刚度、相对埋深和土与结构界面接触特性三个方面"研究土体约束特性对地下结构地震反应的影响规律。以大开地铁车站单层段为研究对象,以中柱层间位移角为结构地震反应评价指标,利用ABAQUS有限元软件建立二维整体时域动力有限元模型选取8种相对刚度工况、4种相对埋深工况和4个界面接触特性工况,分析地震动峰值加速度时刻地下结构的地震反应规律,结果表明:受土体约束特性的影响,相对刚度和相对埋深均存在一个抗震最不利范围在该范围内,地下结构地震反应最大;当接触界面摩擦系数f < tanp时,随摩擦系数的增大,地下结构地震反应增大;当摩擦系数f ≥ tanp时,摩擦系数的改变对地下结构地震反应影响很小。     

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。     

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。     

地震荷载作用下埋地玻璃钢夹砂管的动力响应分析

玻璃钢夹砂管在土木水利工程领域得到了愈来愈广泛的应用,但现有的埋地管道地震响应分析模型大多不考虑管-土动力相互作用,且多针对均质材料管道,无法应用于具有明显层状复合材料结构特征的玻璃钢夹砂管。基于玻璃钢夹砂管的层状复合材料结构特征,建立了完整的埋地玻璃钢夹砂管地震响应分析模型,在数值分析模型中,考虑了管-土间复杂的动力相互作用,以及地震散射波从有限域向无限域的传播。算例分析表明,所建立的埋地玻璃钢夹砂管地震响应分析模型可合理地分析埋地玻璃钢夹砂管在地震荷载作用下的动力响应。     

地基土特性变化对桩基抗震反应的影响

地震荷载作用下的桩基动力反应在工程设计中越来越受到重视。基于桩-土-结构整体动力有限元法,结合工程实例,建立有限元分析模型,设置粘弹性人工边界,研究水平地震荷载作用下地基土层特性变化对桩基抗震反应的影响。着重探讨了上软下硬和上硬下软两种土层分布情况下,软硬土层相对厚度及弹模比变化对桩基抗震反应的影响。结果显示:桩基和筏基交接处桩顶截面和软硬土层分界处的桩身截面均可能是内力最大截面,桩顶截面和软硬土分界处桩身截面都应是设计需考虑的控制性截面,地基土层特性变化对于桩基弯矩的影响较剪力的影响显著。     

土-结构相互作用体系振动台试验数值模拟

运用土—结构动力相互作用有限元三维分析软件SASSI2000，对一个土—结构动力相互作用体系振动台模型试验进行了模拟计算。首先对振动台模型试验作了简单的介绍，进而详细介绍了试验的建模方法。对试验的两种地基条件、3条地震波输入、3个加速度峰值水平及两个输入方向的各种组合工况进行了计算，并将试验结果与计算结果进行了比较。结果表明：计算模型较好地模拟了相互作用体系在地震荷载下的反应性状，计算结果与试验结果吻合较好；同时表明，土一结构相互作用效应对结构地震反应有很大的影响。     

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。     

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。     

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。     

地下结构与不同刚度地表结构体系地震响应规律研究

为探讨不同刚度地表结构与地下结构相互作用体系的地震响应规律,构建了地表结构基频低于、等于和高于场地土卓越频率的三种不同刚度的地表结构,地下结构为典型的三层三跨框架结构。采用Davidenkov模型考虑土体的非线性,考虑地震动类型和幅值的影响。计算结果表明:地下结构的存在整体上放大了场地效应,而地表结构的影响取决于体系的频率特征。单一地表结构对地下结构的影响十分有限,而地下结构的存在放大了地表结构的响应,其放大程度仍取决于体系的频率特征。