基于壳-弹簧模型的组合式预制管廊纵向抗震分析

利用ABAQUS有限元软件,建立了组合式预制管廊三维壳-弹簧有限元模型,研究地震作用下组合式预制管廊之间的相互作用,以及组合式预制管廊的整体抗震性能。采用壳单元模拟管廊结构,非线性弹簧单元模拟管廊承插式接头、钢绞线、舱室之间填充的泡沫板材料,非线性地基弹簧模拟土-结构相互作用。利用反应位移法计算了组合式预制三舱(双舱+单舱)管廊在安评波作用下的变形及内力响应。研究表明,安评波不同入射角度下,双舱管廊和单舱管廊之间存在相互作用,但管廊之间峰值相对位移小于其初始间距;随着安评波入射角度的增加,双舱管廊和单舱管廊的接头张开量及内力均呈现先增大后减小的趋势,接头张开量和截面内力峰值均满足抗震验算要求。     

考虑接头影响的综合管廊标准段地震响应分析∗

地震是造成综合管廊破坏的主要原因之一,综合管廊一旦发生破坏,其产生的后果将比传统埋地管道复杂得多。本文介绍了常见的几种综合管廊接头形式,并对不同的接头形式分别建立有限元模型,选取综合管廊标准段并考虑混凝土塑性损伤模型以及土体本构模型,利用自编程序施加黏弹性人工边界以及等效节点力对不同接头形式下管廊及内部管道进行地震响应分析。结果表明,在不同地震动强度下的最大纵向位移差,整体现浇结构的响应会高于预制拼装结构,且随着地震动强度的增加,响应的差异会进一步增大。两种接头形式下,管廊标准段在地震动作用下的损伤很小,仅在地震动峰值加速度达到0.4g及以上时会发生轻微损伤,不会影响正常使用。同一地震动作用下,小管径的管道应力水平会小于大管径的管道应力水平。同时采用橡胶止水带和预应力钢筋的接头形式会比仅采用橡胶止水带的接头形式更有利于降低廊内管道的应力水平。考虑到采用预应力钢筋连接的预制拼装结构会进一步提高廊内管道的安全水平,因此,在成本允许的情况下,不仅要考虑接头的防水,还应该采用预应力筋对相邻节段连接,进一步提升综合管廊的抗震性能。     

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。     

基于土体等效线性黏弹性模型的地下综合管廊地震响应

以大连旅顺新区地下综合管廊工程为研究背景,利用ABAUQS有限元软件,建立了三维有限元模型,土体与管廊结构采用了三维实体全积分单元,采用等效线性黏弹性模型来模拟土体的动力非线性特性、线弹性模型模拟管廊结构。数值模拟考虑了土-结构相互作用,模型四周及底边设置黏弹性边界,地震动以等效节点力的形式输入,研究管廊在Kobe地震波四种不同地震动强度水平向(X向)作用下的结构响应,研究表明:(1)震中及震后管廊的应力、位移、相对位移都随地震动强度的增大而增大,在地震过程中,管廊的应力、位移最大值在0.05 g时为1.545 MPa、0.034 95 m, 0.10 g时为3.061 MPa、0.068 57 m, 0.15 g时为4.599 MPa、0.103 23 m, 0.20 g时增加到5.572 MPa、0.135 45 m。(2)震中及震后管廊的应力比、位移比说明了土体在大震中发生了更大的不可恢复的变形,也说明了管廊等地下结构的地震破坏主要是由土体变形引起。(3)管廊中隔墙上端部、下端部为管廊的抗震薄弱位置,在进行管廊抗震设计时,应采取有效措施提高这些部位的抗震性能。     

基于MS模型的剪力墙-核心筒结构的高层建筑三维非线性动力破坏分析

采用非线性多弹簧弹塑性有限元模型,对我国一座最高的民用超高层钢筋混凝土剪力墙—核心筒结构进行了非线性地震响应破坏分析。通过分级加载分析了不同地震烈度下超高层建筑从弹性、塑性直至失效的结构内力和变形的整个过程,并采用静力Push O ver方法和1/50比尺的振动台模型试验进行了破坏分析。结果表明超高层建筑的最薄弱位置在1/2到2/3之间高度处。非线性数值分析的结果和振动台模型破坏试验现象符合一致。     

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。     

反应位移法中地基弹簧刚度系数求解方法对比研究∗

反应位移法是目前地下结构抗震设计中应用最为广泛的简化方法之一,其中的一个关键参数是结构周围弹簧刚度系数。基于《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB 50909—2014)中简化的静力有限元法,进行了不同加载形式的静力有限元刚度法和柔度法计算弹簧刚度系数,将其计算结果应用于反应位移法与严格的动力时程计算结果进行对比研究。结果表明:不论静力有限元刚度法还是柔度法,除水平竖直加载方式外,其余的加载方式确定的地基弹簧系数对反应位移法计算的结构变形及内力影响较小。考虑计算次数,可以采用刚度法和柔度法中的径向切向和径向环向一次加载方式对静力有限元法进行简化计算。     

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。     

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。     

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。     

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。     

城市地下综合管廊节点地震响应的影响因素分析

建立城市地下综合管廊典型节点二维有限元模型,分析在不同地震波不同峰值加速度、不同地震波相同峰值加速度,以及是否考虑土-结构接触面的接触作用下的地震响应。结果表明：①在不同地震波不同峰值加速度作用下,随地震波峰值的增大管廊节点的侧向位移、峰值加速度、峰值应力随之增大;②在不同地震波相同峰值加速度作用下,地震波的频谱特性对节点地震响应有显著影响;③是否考虑土-结构接触面的接触作用对管廊节点地震响应有较大影响。     

盾构隧道横断面地震响应分析

随着盾构法在隧道施工中越来越广泛的应用,盾构隧道横断面抗震性能的研究日益受到业界关注。以武汉长江隧道为例,对土体采用D-P本构模型,盾构隧道结构采用梁-弹簧模型,建立盾构隧道横断面二维模型进行动力有限元计算,该模型顶部采用自由边界,侧面采用自由场边界,底部采用静态边界。选用0.1g的天津波和场地人工波作为激励,研究了盾构隧道结构的加速度、变形和内力响应。结果表明:盾构隧道的拱顶与拱底的加速度响应大于隧道左侧、右侧;隧道拱底的绝对位移响应最大;地震作用对隧道衬砌结构的内力增量较为明显。目前的隧道结构设计可以满足结构抗震性能要求。     

无粘结部分预应力混凝土梁恢复力模型的研究

在已完成的16根无粘结部分预应力混凝土梁低周反复荷载试验的基础上,对不同配筋率的13根无粘结部分预应力混凝土梁进行了分析,建立了无粘结部分预应力混凝土梁的弯矩-曲率恢复力模型,根据得到的弯矩-曲率恢复力模型,采用虚梁法编程计算了无粘结部分预应力混凝土试验梁的弯矩-挠度滞回曲线,计算结果与试验结果吻合良好。恢复力模型的建立为无粘结部分预应力混凝土梁的抗震性能研究提供了理论依据,具有理论和工程实际意义。     

地震断层作用下的埋地管道等效分析模型

地震作用下,活动断层附近的埋地管道易发生强度屈服、局部屈曲或整体失稳等形式的破坏,建立准确、高效的埋地管道在断层作用下的计算模型,对管道的抗震设计和震后安全状态评估具有重要的实用价值。本文采用非线性弹簧模拟远离断层处埋地管道的反应,基于管土之间小变形段管道处于强化阶段,提出一种改进的管土等效分析模型,进一步减小了管土之间大变形段的分析长度,从而提高了有限元分析效率。该模型采用ALA推荐的方法计算管土间的滑动摩擦力,可以考虑土体种类的影响;用Kennedy方法确定管道的计算长度。通过与精确模型比较,验证了管土等效模型的合理性和有效性。     

大跨度斜拉桥抗震性能分析与减震控制研究

本文以香溪河大桥为工程背景,利用大型有限元软件ANSYS建立该斜拉桥的有限元模型,进行地震作用下的动力非线性时程分析,并以COMBIN37单元模拟非线性粘滞阻尼器,研究了粘滞阻尼器参数对桥梁抗震性能的影响规律,并确定了合理的阻尼器参数取值。并对未设置与设置粘滞阻尼器的桥梁结构地震响应进行数值分析与比较,分析结果表明:合理设置粘滞阻尼器,可以有效降低桥梁结构关键部位在地震作用下的位移响应,并对结构内力也有一定的降低。本文研究结果为大跨度斜拉桥振动控制分析及工程应用具有重要的指导意义。     

近场地震作用下单跨斜交桥地震反应分析∗

斜交桥动力特性复杂、震害多样,准确评估斜交桥地震反应意义重大,尤其在基于性能桥梁抗震设计中,需要对斜交桥三维精细化模型进行非线性地震反应分析。以单跨斜交桥为研究对象,建立考虑桥台非线性特性和双向碰撞作用的桥梁三维精细化有限元模型,开展水平双向近场地震动作用下结构的非线性地震反应分析,研究不同桥台横向约束模型对斜交桥地震反应的影响以及不同斜交角度斜交桥地震反应规律。结果表明：桥台横向约束条件对斜交桥地震反应有较大影响,在抗震性能分析中需对桥台和碰撞作用进行合理考虑;桥台双向碰撞作用对上部结构平面转动的影响显著,且易导致桥台钝角处的回填土失效和锐角处的挡块损伤;斜交桥的碰撞力明显高于直桥,纵向位移和平面转角随斜交角度的增大而增大。     

上海环球金融中心大厦弹塑性时程分析

在材料应力-应变关系的层次上，进行了高层钢筋混凝土结构的弹塑性时程分析。采用两种非线性宏观单元——梁柱单元和墙单元，单元截面分析采用纤维模型。在计算单元刚度矩阵时，采用子结构技术，从而实现了一根柱或一根梁采用一个非线性梁柱单元来模拟。编制了高层钢筋混凝土结构弹塑性时程分析程序，且用该程序对上海环球金融中心大厦振动台模型结构进行了分析，并与试验数据进行了对比。最后对该大厦原型结构进行了弹塑性时程分析和抗震性能评价。     

基于人体动力学模型钢楼梯振动舒适度及其控制研究

基于人体动力学模型研究钢楼梯人致振动舒适度问题,并利用TMD对其振动进行控制。采用移动质量-弹簧-阻尼的单自由度体系模拟人体动力学模型,将模型施加在钢楼梯有限元模型上,运用完全时程方法得到钢楼梯在人-结构动力相互作用下的动力响应,并对比分析不考虑人-结构动力相互作用时的动力响应,以峰值加速度为指标评估该楼梯的振动舒适度;对振动过大的钢楼梯,采用3种不同优化模型的TMD进行振动控制。结果表明:行人步频的倍频与结构自振频率相近时,考虑人-结构动力相互作用时结构加速度峰值多则会减小20%以上;3种不同优化模型的TMD都能够有效减小楼梯的振动响应,建议优先选用Warburton参数优化模型。     

地下结构地震横向应变传递及其影响因素

以变形控制为主线,提出了横向应变传递率(STC)的概念,以研究土层向地下结构横向应变传递的影响因素和影响规律。采用二维非线性动力有限元,分析地震动不同输入(峰值和波形)、土层不同性能(剪切模量和土层厚度)以及地下结构特征(埋深、宽高比)等参数对STC的影响。结果表明,引入的横向应变传递率的概念可以反映地震荷载-地下结构-土体间相互作用问题的本质,各种参数对STC的影响具有规律性:土层软硬对应变传递率影响显著,二者间呈幂指数关系;地震动输入对应变传递率有一定影响,二者间呈抛物线关系;工程常见土层厚度内,土层厚度变化对应变传递率的影响不大,基本可以忽略;地下结构埋深、宽高比对应变传递率影响较小,应变传递率基本为一常数。