黏弹性人工边界地震动输入方法及实现

本文对实现黏弹性边界的常用方法进行了总结,对相应于黏弹性边界的地震动输入公式进行了详细推导,把自由场应力的求解也转化为自由场速度的求解,简化了地震动输入公式,并给出了地震动输入的简化方法。基于ABAQUS软件,进行算例分析并和理论解进行对比,验证了各种黏弹性边界实现方式及本文地震动输入方法的合理性和正确性。最后,对大朝山重力坝典型挡水坝段进行地震响应分析,通过施加黏弹性边界并输入相应地震动,评价了无限地基辐射阻尼的影响,并与无质量地基模型的计算结果进行了比较。结果表明,考虑辐射阻尼效应后坝体地震响应明显降低,故在实际工程抗震分析时对其影响应予以适当考虑。

地下工程数值计算中地震动输入方法选择及实现

在运用有限元数值方法进行地下结构抗震分析中,人工边界及地震动输入方法将直接影响到计算精度。在分析人工边界原理及常用地震动输入方法的基础上,研究地震动输入方法与人工边界间的相互作用。研究结果表明,不同地震输入方法将显著影响人工边界的吸收性能,而不同的人工边界需要采用与其相适应的地震动输入方法。接着分析两者相互作用的机制,并以无限元人工边界为例提出与其相适应的地震动输入方法,并编制相关输入程序,实例计算结果表明,所提出的地震动输入方法及相应的输入程序具有良好的精度。研究内容可为地下结构有限元抗震计算中人工边界及地震动输入方法的选择提供依据。

双向地震动输入对高层隔震结构的响应影响研究

我国现行建筑抗震设计规范中对于隔震结构分析时地震动的单双向输入问题并无明确说明。鉴于高层隔震结构及隔震支座体系的特殊性,本文对西昌(9度区)某高层隔震结构进行分析,选取了7组地震动,比较了双向地震动输入与单向地震动输入相比后该高层隔震结构的加速度、位移、支座应力等响应的差别。研究发现高层隔震结构的四个角部支座在单向地震动输入下拉、压应力未超过规范规定限值,而在双向地震动输入下均超过规范规定限值。针对双向输入时隔震支座出现的应力超限问题,提出了解决方案。建议在对隔震结构尤其是高层隔震结构进行计算分析时,采用双向地震动输入并加强抗拉支座的研发工作。

地下工程抗震分析中地震动输入方法研究

提出一种新的基于无限元人工边界的合理的地震动输入方法,该方法考虑到地层的辐射阻尼和地震波在地层中的反射和散射,采用波场分解的方法给出地震波从底面垂直入射时不同边界面上的等效地震荷载的计算公式。同时进行算例考证,结果表明,采用固定边界计算结果会出现失真的扰动,而采用该方法其结果与解析解吻合得比较好。最后将该方法用于西藏嘎龙拉隧道三维地震动力分析中,得到一些有意义的结论。

不同地震动输入方向下的大型地下岩体洞室群地震反应分析

以某水电站为工程背景,建立该水电站地下厂房大型岩体洞室群有限元-无限元耦合动力计算模型。在洞室群开挖稳定后所形成的二次应力场和地震动荷载联合作用下,进行不同地震动输入方向下的大型岩体洞室群地震反应研究。研究结果表明,地震动斜入射对地下岩体洞室群的动力反应和稳定性有不利的影响,在进行类似的大型地下岩体洞室群地震动安全评价时应考虑地震动输入方向的影响。

结构抗倒塌易损性分析中地震动输入不确定性影响研究

在结构抗倒塌易损性分析中地震动输入的选取只是众多环节之一,其不确定性影响往往被忽视。该文基于 PEER 强震动记录数据库,按震级、距离和场地参数(M、R、VS30)进行单变量控制将强震动记录分成 9 组,新定义指数 ISa 用以比较不同分组地震动的相对能量差异;对 3 层、8 层以及 15 层三种不同自振周期的混凝土框架结构采用 IDA 方法进行抗倒塌易损性分析,比较不同 M、R、VS30工况地震动输入下的易损性结果,同时与 ATC63推荐记录作为地震动输入的易损性结果进行了对比,结果表明:3 种结构的倒塌性态点 Sa(T1)均随着 M 增大、R增大以及 VS30 变小而减小;三种结构都体现了在大震、远场及软土场地的地震动作用下更加易损倒塌,与 ISa 指数体现的地震动蕴含能量的分布相一致;通过 SI 和 SImax 两个参数在不同工况下的对比,表明中长周期结构受距离的影响更为显著,以及震级对结构抗倒塌影响更敏感;以 ATC63 推荐的强震动记录随意用作地震输入被证实可引起结构抗倒塌易损性曲线较大的不确定性。为降低不确定性影响,建议在进行结构抗倒塌易损性分析时采用考虑场址危险一致性与结构自振特性的地震动输入选取方法。

地下结构抗震分析中地震动输入方法研究

在考虑不同节点处地震波相位差及自由表面处地震反射波影响的基础上,基于波场分离技术与黏弹性人工边界条件推导了适用于地下结构的节点力地震动输入方法。这种地震动输入方法能够有效保证边界应力及位移与原场一致且能考虑地震波传播的相位差。将这种地震动输入方法在通用有限元计算软件ABAQUS中实现,实例验证结果与解析结果对比表明,这种方法具有良好的精度。最后将这种地震动输入方法运用于某越江盾构隧道进行动力分析,得到了管片与地层之间的摩擦系数对管片节点相对位移及管片内力的影响。

地震动输入能量衰减规律的研究

对所收集到的266条强震记录,将其按场地条件分类,计算了不同场地条件、不同延性系数下的“绝对”和“相对”输入能量反应谱,然后利用两步回归法,得出了不同场地条件下地震动“绝对”和“相对”两种输入能量的衰减规律,分析了场地条件、延性系数、震级及距离等参数对地震动能量谱的影响,并对两种输入能量衰减规律进行了比较。

SV波超临界角斜入射时层状地基地震动输入在ABAQUS中的实现

有限元数值模拟中,超临界角斜入射SV波作用下层状地基的地震动输入是一个亟待解决的问题。该文采用层状地基频域内精确的动力刚度矩阵(即频域刚度矩阵法)推导了SV波任意角度斜入射下的地震动输入等效节点力计算公式,通过ABAQUS有限元软件模拟SV波斜入射下均匀半空间、层状地基的地震波场,探讨了基于频域刚度矩阵法的层状地基任意角度斜入射地震动输入应用于ABAQUS有限元软件的有效性和准确性。结果表明,采用频域刚度矩阵法可以在ABAQUS中实现层状地基任意角度斜入射SV波地震动输入,且方法具有很高的计算精度,尤其对于SV波超临界角入射情况,有限元数值模拟很好地再现了均匀半空间地表质点的椭圆型运动轨迹和层状地基的行波特点。在此基础上进一步将频域刚度矩阵法与等效线性化方法相结合,解决了考虑土体非线性的层状地基在任意角度平面波入射条件下的地震动输入问题。

车桥耦合动力分析中地震动输入模式的研究

依据地震作用下车桥动力相互作用的特点,建立地震-车-桥简化耦合模型和多自由度耦合模型,进行理论推导,研究采用地震动位移输入、加速度输入模式进行考虑地震作用的车桥耦合动力分析的特点和适用性。以8辆车编组的高速列车通过3跨钢桁拱桥为研究对象,考虑行波效应,进行地震动位移输入和加速度输入2种模式下的车桥耦合动力响应的数值计算对比分析。研究结果表明:位移输入模式对于所有轮轨关系均能适用;而加速度输入模式仅适用于轮轨关系为线性的情况,并且需要考虑拟静力分量对车桥耦合系统的影响;对轮轨关系为非线性的情况,采用地震动加速度输入模式,在车速超过80m.s-1时会导致耦合系统动力响应被严重低估。

非线性成层地基下基岩平稳地震动输入

采用二次反演计算基岩的平稳地震动输入。首先根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2001)的地震影响系数曲线,利用加速度峰值等效原则迭代计算得到地面加速度平稳功率谱密度;然后通过等价线性化法计算地基各土层的剪切模量和阻尼比,将地面加速度平稳功率谱密度作为地面边界上的虚拟稳态输入,运用半无限长剪切梁上的一维波动方程,通过非线性迭代分析求得非线性分层地基下基岩的加速度平稳功率谱密度。该方法可为缺乏地面或基岩地震加速度记录资料的地区的堤坝等大型上部结构及隧道、管道等建筑物的随机地震响应分析提供较为可靠准确的基岩地震动输入,并可得到地基中不同深度的加速度、剪应变等动力响应的稳态峰值期望值,为应用随机理论进行工程抗震计算提供了依据。

典型场地在不同地震动输入水平下的反应

强震动作用下场地土的非线性对地震动反应特征影响明显。场地土的非线性效应首先是由岩土工程学家在室内试验中发现的,继而地震学家在强震动记录分析中亦发现了场地土的非线性效应。一般来讲,随着地震动输入强度增加,场地土非线性效应越明显。但对于不同场地类型,相同地震动水平作用下,场地土非线性效应是不同的。针对这一问题,选择了几个典型场地,采用等效线性化方法分析了不同地震动强度作用下各类场地土的非线性效应,并提出了一种以场地等效剪切波速随地震动输入水平变化为依据的场地土非线性效应确定方法,且定义当等效剪切波速变化率不足20%时,场地地震反应分析可不计入场地土的非线性效应。

土-结构动力相互作用问题分析中地震动输入的一种新方法

为实现地震作用下土-结构动力相互作用问题的有限元模拟,需要在人工边界上完成地震动的有效输入,目前工程和科研中常用的地震动输入方法有两种:波动输入方法和振动输入方法。波动输入方法的模拟精度高,但实施上相对复杂且耗时,而振动输入方法处理简单,但模拟精度较低。针对应力型人工边界提出一种在人工边界上实现地震动输入的新方法,该方法通过对土-结构有限元模型中由人工边界节点及相邻节点组成的局部子结构施加自由波场位移时程并进行动力分析,从而直接获得可实现地震波动有效输入的等效地震荷载,然后在土-结构有限元模型的人工边界节点上施加等效输入地震荷载并完成动力计算,由此完成土-结构动力相互作用问题的地震动输入和地震反应计算。与原有波动输入方法相比,新方法避免了原方法需分别计算人工边界上自由场应力和由引入人工边界条件引起的附加力,以及需要根据不同人工边界面的外法线方向确定荷载作用方向等较为复杂的处理过程,具有等效地震荷载计算简便、地震动输入过程更易于实施的特点。采用均匀弹性半空间和成层弹性半空间一维地震反应算例初步验证新方法的正确性和可靠性。

大跨度桥梁结构地震动输入问题的研究现状

对于大跨度桥梁地震动输入问题的研究和应用现状进行了综述，其中包括多点地面运动、多点输人条件下的结构地震反应等．对时域方法、频域方法、近似方法和混合方法等几种分析方法进行了介绍和评述，提出了一些需要进一步研究的问题．

地下结构抗震分析中地震动输入方法的比较研究

在地下结构地震响应数值模拟中,地震动输入方式的选取会直接影响到计算结果的精度和可靠性。文章基于粘弹性边界,剖析了加速度输入、位移输入和应力输入三种方法的计算原理,采用ANSYS进行数值算例分析,研究了三种输入方法的差异性。结果表明:三种输入方法得到的衬砌内力幅值包络图相似,数值差异明显;不同输入方法会显著影响粘弹性边界的吸能效果,粘弹性边界应采用与其相适应的应力输入方法。研究内容可为地下结构抗震分析中地震动输入方法的选择提供依据。

地震分析中人工边界处理与地震动输入方法研究

基于柱面波波动方程,推导建立了适用于土-结构地震动力相互作用分析的地震动输入和人工边界的处理方法。其中,地震动的输入是通过在人工边界上施加等效节点力来实现的,等效节点力的大小与入射地震波波速成正比;而人工边界的处理方法使得人工边界条件不仅在时间上是局部的,而且在空间上也是局部的。这种处理方法简单、有效,物理意义清晰,且很容易在有限元法中实现,结合Newmark时间积分是无条件稳定的。为了验证方法的有效性和精度,给出了两个算例,分别用于检验人工边界条件的性能以及地震动输入方法的正确性。算例分析结果表明,所提出的方法是十分有效的。

地震动输入界面的选取对地震动参数的影响

地震反应分析中的输入界面是一种规定的假想基岩面,其选取具有很大的不确定性,对确定地震动参数的影响很大。本文以北京地区存在剪切波速较高的卵石硬夹层场地为研究对象,探讨实际工程场地中能否将硬夹层选作地震动输入界面的问题。利用一维等效线性化波动方法,对390个含有剪切波速高于500m/s的卵石层场地模型进行地震反应分析计算,讨论卵石层的上覆土层、下伏土层以及卵石层自身特性对地震反应分析结果的影响。计算结果显示,厚度5m左右、剪切波速小于600m/s的卵石层作为地震动输入界面是否合理,主要取决于上覆土层和下伏土层,而卵石层厚度和剪切波速的影响很小。对于一般性工程,当上覆土层厚度大于15m,下伏土层厚度在10m以内时,选取硬夹层顶面与选取钻探揭示的基岩或剪切波速不小于500m/s的土体顶面为输入界面,计算结果差别不大;当上覆土层厚度达到60m,下伏土层的变化对计算结果影响很小。研究表明,在钻探没有揭示出基岩或坚硬土体时,埋深大于60m的硬夹层可以选为地震动输入界面,这一结论对实际的地震安全性评价工作具有一定参考价值。

博物馆文物的防震保护研究(二)——设防地震动输入及结构地震动反应

通过对上海及邻近地区地震危害性分析,结合地震研究工作结果,根据上海博物馆文物防震保护的具体要求,研究确定了该博物馆文物防震保护的设防水准及地震动参数。场地地震动输入峰值加速度水准确定为50年超越概率3％,地震动反应谱采用上海市标准《建筑抗震设计规范》(DGJ08-9-92)中给出的地震影响系数曲线(阻尼比0.05),并将输入峰值加速度调整为180gal。研究采用了目前通用的拟合反应谱的方法,通过拟合选定的地震动反应标准谱,合成了6条人造地震波时程曲线,拟合精度控制在相对误差不大于5％;同时结合上海市《建筑抗震设计规范》(DGJ08-9-92)中所附的一条强震记录,共同作为上海博物馆结构地震反应分析的输入地震动。又根据上海博物馆建筑的结构特征分析,结合建筑结沟动力特征的实测结果,通过采用层模型结构时程分析计算方法,计算并获得了在遭遇设防地震时,上海博物馆建筑物每一层的地震动反应,表明上海博物馆建筑各楼层的地震动反应具有明显的楼层放大作用。对各楼层地震动反应的统计分析,给出了上海博物馆建筑物每一层的地震动参数,以此可作为今后文物地震危害性分析,及研究设计隔震装置等防震措施的依据。

基于UPFs的粘弹性人工边界单元及地震动输入方法研究

基于粘弹性人工边界相关理论和地震动输入方法的有关理论,推导并建立了既具有粘弹性人工边界特性,同时可以将地震动转化为施加在人工边界上等效荷载的三维粘弹性人工边界,并利用二次开发工具UPFs将其成功地嵌入至通用有限元分析软件ANSYS中。通过Lamb表面源问题以及内源问题对上述二次开发单元进行了验证。算例表明,该单元可以很好地对无限地基辐射阻尼进行模拟。随后通过对自由场波动输入问题的验证,表明该单元可以实现在有限元单元级别上准确有效地施加地震动等效荷载。与传统的粘弹性边界施加方式相比,该单元有着更简单的使用性以及更强的操作性,同时又不增加计算模型的规模等优势,因而计算效率更高。同时,结合通用有限元分析软件ANSYS强大的建模和计算分析能力,使粘弹性边界有着更广泛的应用,并可适用于各种结构-地基动力相互作用问题的分析。

汶川地震汉源县城高烈度异常区基岩地震动输入

合理的地震动输入是定量解释震害和烈度异常的基础。以汉源老县城震害为评价基准,确定了汉源老县城高烈度异常区的汶川地震基岩地震动输入。基于汉源老县城周边的九襄、清溪、宜东和乌斯河4个强震台站记录,采用LSSRLI-1程序反演给出了各自台站的水平向基岩地震动;选取汉源县城典型场地,利用LSSRLI-1程序计算给出了不同强震台站基岩地震动作用下的场地地表加速度时程和反应谱,以最可能引起汉源老县城震害的强震台站基岩地震动作为汉源县城的基岩地震动输入。研究结果表明:九襄台站反演的基岩地震动最可能反映汶川地震时汉源老县城的基岩地震动特性,因而用九襄台站的基岩地震动作为汉源老县城的地震动输入解释汉源县城高烈度异常现象是合理的。本文的研究思路为定量解释震害的地震动输入确定提供了重要参考。