基于CNN-LSTM混合神经网络的高速铁路地震响应预测

为了更好地挖掘高速铁路在地震时的响应信息,提高光纤光栅监测的效率及预测精度,该文针对地震响应数据的时序性及非线性的特点,提出卷积神经网络(CNN)和长短期记忆(LSTM)网络的混合神经网络模型预测方法.通过在高速铁路简支梁桥上布设准分布式光纤光栅采集地震时轨道板、钢轨、底座板、箱梁的响应数据,在每根光纤上布置7个光栅,利用两边光栅的响应数据预测中间点的光栅响应,将采集位置、历史数据及地震波形等信息作为特征图输入.利用CNN提取特征,再将提前提取出来的特征数据以时序方式作为LSTM网络的输入数据,最后LSTM网络进行地震应变响应预测.实验结果表明,LSTM网络在3层时效果最好,CNN-LSTM方法具有较高的预测精度,根均平方误差(R_(RMSE))、平均绝对误差(R_(MAE))、决定系数(R^(2))分别达到了0.3753、0.2968、0.9371.

考虑土-储罐-液体相互作用的隔震储罐简化力学模型及地震响应研究

为了寻求一种既能减震又能降低成本的储罐结构,提出一种隔震储罐结构体系,根据力的平衡原则推导了滚动隔震装置恢复力模型,得出了复合滚动隔震装置的恢复力模型。基于三质点模型和场地土模型,提出了考虑土-储罐-液体相互作用(STLI)的隔震储罐的简化力学模型和运动方程,并研究了考虑STLI效应和不考虑STLI效应时抗震储罐和隔震储罐在不同场地的地震响应。结果表明:隔震储罐能够有效地降低其基底剪力及倾覆弯矩,但对晃动波高的控制有限,建议在高烈度区,满足晃动波高的前提下,隔震储罐在设计时可以降低烈度。考虑STLI效应后,抗震储罐的基底剪力和倾覆弯矩明显降低,且从Ⅰ类场地到Ⅳ类场地差异率逐渐增大,软土场地降低最为显著。隔震储罐地震响应受STLI效应的影响较小,可以有效地隔断上部结构与场地土之间的耦联,弱化STLI效应对上部结构的影响。

黄土场地条件下地铁车站诱导缝三维地震响应研究

自20世纪90年代地铁车站结构诱导缝概念提出以来,诱导缝已在我国大、中等城市地铁车站中得到广泛应用,但其抗震性能尚未得到验证。以西安黄土地区地铁车站工程建设为研究背景,基于ABAQUS非线性有限元软件平台,建立黄土场地与地铁车站结构动力相互作用三维数值模型,通过大型地震模拟振动台试验与数值模拟的对比研究,验证了数值模型及分析方法的可靠性。基于上述数值分析方法,进一步建立原型结构数值计算模型,研究不同频谱特性及不同峰值加速度地震波作用下黄土场地中地铁车站诱导缝的地震响应规律。研究结果表明:诱导缝断面处结构更易发生较大水平相对位移而产生破坏,为地铁车站结构的薄弱面,且其两侧结构水平相对滑动沿地铁车站结构从下往上逐渐增大;诱导缝两侧结构竖向相对错动沿地铁车站截面宽度方向呈现出两端较大、中间相对较小的规律;在低频成分丰富的西安人工波作用下,诱导缝处余留纵向钢筋塑性变形发展贯穿整个地震作用过程,塑性应变累积效果更显著。研究结果初步揭示了设诱导缝地铁车站的地震响应特征及规律,对进一步探索设诱导缝地铁车站在地震作用下的结构损伤、破坏发展的内在动力与作用机制有一定参考价值,可为黄土地区地铁地下结构诱导缝的抗震设计提供参考。

黏土中海上风力机桩-筒复合基础地震响应分析

参考NREL海上风力机结构参数,基于ABAQUS软件平台,建立黏土中海上风力机桩-筒复合基础的三维整体有限元模型;采用总应力形式的非线性运动硬化模型描述黏土的不排水动应力应变响应,通过编制Matlab程序实现随机风荷载及波浪荷载的模拟;开展地震及风、浪、流荷载共同作用下海上风力机桩-筒复合基础的时域整体动力响应分析,揭示桩-筒复合基础的承载机理,分析地震烈度、土体强度及基础尺寸对桩-筒复合基础动力响应的影响规律。

基于流固耦合的LNG储罐外罐地震响应分析

为研究流固耦合对LNG储罐外罐的地震响应问题,采用振动台试验和数值仿真相结合方法对不同地震波下不同液体高度的LNG储罐进行震动分析。试验结果表明:地震会改变罐体加速度和位移的分布情况,不同地震波和不同液体高度对位移和加速度的放大效应有着不同的影响,在El Centro波、Taft波和SHM2波作用下,流体振荡产生的减震作用和流体压力产生的附加惯性作用能够减小储罐中部的位移,但对加速度有所放大。利用时程分析法对5000m^(3)LNG储罐的位移和环向应力进行地震模拟分析,结果表明:储罐的环向应力呈现出中间大两头小的走势,在罐高的1/4h、1/2h和3/4h上出现极值;位移沿罐高度方向先增加后减少,峰值出现在1/4h、1/3h、1/2h和3/4h处。因此在LNG储罐抗震设计时,应考虑流固耦合效应对结构的影响,在1/4h、1/3h、1/2h和3/4h处的薄弱位置,宜采用增加壁厚、设置阻尼器和钢筋加密等措施增强结构的可靠性和安全性。

随机地震下耗能构件关键参数对自复位桥墩地震响应的影响

自复位桥墩具有能够在震后快速恢复桥梁的使用功能。为了得到不同参数下耗能构件对于自复位桥墩地震响应指标的影响,取8度区的高速铁路双线简支箱梁桥作为研究对象,从Peer数据库中筛选出具有随机特征的40条地震波对有限元模型进行非线性时程分析,通过假设检验的统计学方法得到地震响应指标的分布规律和具有95%保证率的桥墩地震响应指标上界值。研究结果表明:在随机地震作用下,自复位桥墩各地震响应指标均服从正态分布;自复位桥墩在地震过程中具有较小的残余位移,随着耗能构件初始刚度和屈服力增加,墩顶最大位移逐渐减小,混凝土压应变和钢筋拉应变逐渐增大;在考虑地震随机性基础上,提出基于概率保证率的自复位桥梁耗能构件初始刚度和屈服力的合理取值范围,可为合理设置自复位桥墩耗能构件关键参数提供参考。

地震动持时和不同持时指标对结构地震响应的影响

选取70条具有不同持时的天然地震波,并采用5%~75%重要持时将谱匹配后的地震记录划分为长、短持时地震记录集,对10层RC框架结构进行IDA分析和弹塑性时程分析,研究地震动持时对结构地震响应的影响,进一步选取35条天然地震波,采用有效持续时间、5%~75%和5%~95%重要持时等不同强震持时指标分别截取相应的加速度时程段,构建不同的地震记录集,分析不同持时指标对RC框架结构峰值响应和滞回耗能的影响。研究结果表明:在相同的地震动强度下,长持时地震动会导致更大的结构层间变形和结构倒塌概率,且随着持时的增加,结构总滞回耗能大幅增加;在罕遇地震水准下,可选取有效持续时间和5%~95%重要持时指标用于结构层间变形和楼层峰值位移分析,而在极罕遇地震水准下,选用有效持续时间具有更高的可靠性;对于楼层峰值速度,不同地震集计算结果均值和变异系数未表现出明显差异;在相同地震动强度下,建议优先选用有效持续时间用于结构滞回耗能分析。

水平非均匀场地中油气管道地震响应分析及试验

针对水平非均匀场地中埋地油气管道的地震响应,开展了埋地油气管道振动台试验和有限元模拟分析,研究了不同强度地震激励下埋地油气管道的应变和加速度响应,以及场地管周土体的加速度和位移响应规律。结果表明:研发的土箱能够满足试验的要求,试验方案合理可行;由于非均匀场地土体特性的不同,在地震激励下不同土体的动力响应不一致,进而会对管道不同区段形成不同的动力作用,加剧管道整体的动力响应;随着加载等级的提高,土体在振动过程中先是被压实,然后逐渐破坏,土体的非线性特征越来越明显,管道振动现象更为明显;相比于均匀场地条件,相同工况非均匀场地条件下的管道应变峰值和加速度峰值响应明显增大,表明非均匀场地条件下管道周围的土体破坏更为严重,管道的运动更加剧烈。建议在埋地管道抗震设计中要考虑非均匀场地条件和管周土体特性不一致对管道地震响应的增大影响。

地震波斜入射作用下重力坝地震响应分析

为了研究地震波斜入射作用下重力坝的地震响应,本文基于黏弹性边界及相应的地震动输入方法,分别推导了P波和SV波倾斜入射时的等效地震力,构建了考虑地震波斜入射的黏弹性静-动力统一型人工边界.以黄登混凝土坝为研究对象,研究了P波和SV波在不同斜入射角度下混凝土坝的地震响应,重点分析了重力坝在地震作用下的水平、竖直相对位移与主应力.研究结果表明:混凝土重力坝的地震响应中在斜入射情况下P波与SV波有明显的差异,考虑地震波的斜入射很有必要;P波斜入射时,随着入射角度的增加,坝体关键点的水平、竖直相对位移与主应力值逐渐增加(60°时达到最大);SV波斜入射时随着角度的增加关键点相对位移与坝体主应力变化不大,但整体来看入射角度为0°时(即垂直入射)与其他入射角度相比无论是竖直、水平相对位移或坝体关键点主应力均为最大.

近场地震动对我国RC框架结构地震响应影响分析

近场地震常含有丰富的脉冲成分,其短时间内产生的冲击效应会对近场地区建筑结构造成严重破坏。钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)框架结构在我国城镇地区应用较多,为此应开展近场地震动对我国框架结构地震响应影响研究。基于近期记录较为完整的土耳其M 7.8级地震,筛选出近场脉冲型和非脉冲型两类地震动各2条作为输入,并对比分析了4条地震动加速度反应谱的形状特征;按8度设防设计并建立了4、7、10层三个不同周期的RC框架结构有限元分析模型,利用现有试验结果验证了该模型的准确性;采用非线性动力时程分析方法,通过比较地震加速度反应谱、结构层间位移角、结构耗能和梁、柱构件利用率等指标,从结构整体到构件层面综合分析了这两类地震动对框架结构地震响应的影响。研究结果表明:所选的脉冲型地震动加速度反应谱平台段较长且双峰和多峰特性明显,非脉冲型地震动加速度反应谱的单峰特性明显;在这两类地震动作用下,短周期结构整体响应以及梁、柱构件的破坏程度均与地震加速度反应谱值呈正相关性;而对于中和长周期结构,相比较非脉冲型地震动,脉冲型地震动作用下会造成加速度反应谱值小,而结构整体响应以及梁、柱构件的破坏程度较大的现象。因此,对该类结构进行抗震设计时应充分考虑近场地震动脉冲效应的影响。

考虑碰撞效应的近断层斜拉桥地震响应研究

为了研究碰撞效应对近断层斜拉桥地震响应影响,该文以一座双塔斜拉桥为工程背景,分析近断层地震动作用下斜拉桥主桥和引桥主梁碰撞响应及碰撞响应对结构地震响应的影响,研究黏滞阻尼器和弹性索对近断层地震动作用下斜拉桥碰撞效应影响,并与远场地震动下斜拉桥地震响应进行对比,探讨碰撞效应对斜拉桥减震率影响。结果表明:与无脉冲地震动相比,近断层脉冲地震动作用下在脉冲时段内斜拉桥主桥与引桥更易发生碰撞,碰撞效应对斜拉桥地震响应影响更显著;设置黏滞阻尼器和弹性索后,斜拉桥主桥与引桥在脉冲时段内仍发生碰撞,但碰撞响应减小,且脉冲地震动作用下碰撞效应对斜拉桥地震响应影响明显降低;在分析脉冲地震动作用下斜拉桥减震率时须考虑碰撞效应。

基于ANSYS的连续刚构桥地震响应分析

以某连续刚构桥为工程背景,基于ANSYS建立全桥有限元模型,由规范反应谱生成人工地震波,分别采用直接加速度法与大质量法对结构进行地震反应时程分析,分析方法与研究结果对实际工程有一定借鉴作用。

基于LSTM神经网络的牵引站电气设备耦联体系地震响应预测

铁路牵引变电站中,软导线-电气设备耦联体系具有较强的几何非线性。为提升系统分析效率,提出一种改进的软导线-电气设备耦联体系地震响应递归预测方法。基于长短期记忆(long short-term memory,LSTM)神经网络与Dropout防止过拟合技术搭建了LSTM神经网络预测模型。建立了充分考虑软导线对相邻设备的耦联作用的软导线-电气设备耦联体系理论分析模型。为验证预测模型的泛化能力,筛选出了41条在峰值、频谱和持续时间上具有较大差异的地震波。并按照递归方案,将选取的地震波以及软导线-电气设备耦联体系理论分析模型计算所得的位移响应,进行滑动切片处理,建立模型输入特征与输出响应标签的映射关系。在此基础上,利用该LSTM神经网络预测模型开展了软导线-电气设备耦联体系设备的地震位移响应预测,并采用多个评价指标进行较为全面的模型性能评估。研究结果表明:LSTM递归预测模型具有良好的地震响应预测性能,搭配Dropout技术能够有效防止模型训练过拟合,提高模型适应能力。对于差异较大的地震波数据,均能够快速预测出误差较小、相关度较高的地震响应,具有较好的准确性、高效性与泛化能力。所提方法能够较高效准确地预测任意时刻的软导线-电气设备耦联体系地震响应,为铁路牵引变电站抗震设计提供新的研究思路。

基于人工神经网络的RC框架结构地震响应预测方法

为了实现钢筋混凝土(Reinforced Concrete,RC)框架结构地震响应的快速预测,提出了一种基于人工神经网络的RC框架结构地震响应预测方法,设计低层、多层和小高层共3个典型RC框架结构作为研究对象,以四川雅安地区为目标场地,基于条件均值谱选取地震动记录作为输入并进行弹塑性时程分析,所得样本数据用于训练人工神经网络。以地震动强度信息和结构信息为输入预测结构响应,同时对模型进行参数敏感性分析。结果表明:建立的人工神经网络模型具有较好的泛化性能,平均谱加速度具有最高的平均影响值,提出的方法为快速预测RC框架结构地震响应提供了方法借鉴。

含软弱夹层场地的一维等效线性化地震响应研究

为了探明软弱夹层对场地的地震动响应影响,明确软弱夹层对地震场地的影响方式,基于等效线性化方法构建一维场地模型,对场地进行不同幅值的基岩地震动输入的响应计算,得到了多种地震工况下场地的PGA和地震波傅里叶谱.分析了地震波频谱在场地自然频率附近波段的谱值比曲线变化和软弱夹层对不同频率波段的消减情况,并根据滞回理论探明了地表加速度减小的原因.研究结果表明:在受到地震作用时,场地中的软弱夹层的剪切模量减小并且阻尼比增大,使得软弱夹层出现大应变并消耗了高频段的地震能量,使得传输到地表的地震波PGA减小;且当基岩输入地震强度增大时,地表PGA放大系数曲线呈现出逐渐减小并趋于平稳的规律性.

基于BIM技术的浅埋双孔隧道地震响应规律研究

通过BIM软件Revit建立浅埋双孔隧道的信息模型,基于BIM信息模型,导入ABAQUS结构分析软件,基于无限元-有限元方法应用于浅埋双孔隧道进行力学行为分析的可行性和准确性,分析隧道衬砌的刚度和设置减震层对浅埋双孔隧道在典型地震波作用下的响应规律,找到适合该浅埋双孔隧道的减震层材料和厚度,为后续浅埋隧道地震响应规律的研究提供借鉴。

调谐负刚度-惯容质量阻尼器参数优化与地震响应控制

提出一种调谐负刚度-惯容质量阻尼器(TNIMD),用于地震作用下的结构减震控制。通过拉格朗日方程得到结构TNIMD耦合系统运动方程,采用定点理论进行TNIMD参数优化设计,讨论最优负刚度系数的取值,开展参数分析和减震效果验证。参数分析研究表明:TNIMD对主结构位移响应的控制优于无负刚度元件下的调谐惯容质量阻尼器(VTMDI),且质量比及惯容比越小,TNIMD相对优势越大。减震分析结果表明:在远场、近场脉冲及近场无脉冲地震作用下,TNIMD对主结构位移及绝对加速度响应的控制效果均优于VTMDI,验证了TNIMD减震的优越性,为TNIMD研究提供参考。

断层永久位移预测及断层悬索桥地震响应研究

断层错动诱导的地表破裂永久位移对跨断层桥梁结构会造成严重破坏,准确预测断层错位的永久位移对跨断层桥梁结构抗震性能评估具有重要意义。首先结合反向传播神经网络(BPNN)提出具有较高精度的断层错位量预测模型,然后通过低频成分叠加高频成分方法人工合成断层面两侧地震动(简称跨断层地震动),最后以某主跨为538 m的跨断层大跨钢桁架悬索桥为研究对象,利用有限元软件ABAQUS建立考虑桩−土相互作用(m法)的全桥计算模型,探究断层位置和跨越角度对悬索桥地震响应的影响。结果表明:基于BPNN提出的方法能精确预测断层位错永久位移,对比已有的回归公式具有更高的精度,为人工合成跨断层地震动的准确性提供了保障;断层相对位置会显著影响桥梁结构的地震响应,与近断层地震动作用相比,在跨断层地震动作用下,悬索桥的塔底剪力、弯矩、相对位移以及扭矩响应增加了22.79%、154.1%、139.36%和265.48%;断层跨越角度对悬索桥动力响应影响明显,其响应均以跨越角度θ=90°呈规律对称分布,塔顶纵向位移、塔底纵向弯矩、塔底纵向剪力以及塔底扭矩最大值均出现在θ=90°,分别为0.81 m、282.45 MN∙m、3.96 MN和6.14 MN∙m。研究成果可为跨断层悬索桥抗震分析提供一套简便、可靠的人工地震动合成方法,也揭示了跨越角度和断层位置对跨断层悬索桥地震响应的影响。

考虑轮轨多点接触关系的车轨系统地震响应分析

为研究地震作用下轮轨多点接触关系及其对车轨系统地震响应的影响,本文基于虚拟渗透理论分析了轮轨多点接触的几何关系,采用修正的Kik-Piotrowski方法和Kalker线性理论求解轮轨接触力,并建立了地震作用下考虑轮轨多点接触关系的列车-无砟轨道系统模型;以某高速铁路为对象,研究了车轨系统的地震响应及列车的行车安全性。研究结果表明:地震作用下轮轨之间会出现2点接触情况,次接触斑对轮轨接触行为具有重要影响;轮轨多点接触关系对地震作用下的轮轴横向力和脱轨系数具有重要影响,不考虑该多点接触关系会低估列车的行车安全性;车轮抬升量对地震动强度不是特别敏感。

穿越液化流滑区盾构隧道纵向非线性地震响应研究

为了明确场地液化流滑区越江跨海盾构隧道结构的抗震性能,以宽河谷微倾斜可液化场地在不同地震动强度下土层的位移时程作为输入地层震动状态,并基于广义反应位移法,建立了4.8 km精细化梁-弹簧盾构隧道模型,研究了场地液化流滑对盾构隧道纵向地震响应和相邻管环纵向张开量的影响。研究结果表明:场地的液化流滑将导致盾构隧道产生极大的环间纵向张开量、截面拉力和压力突变,充分说明了场地流滑对隧道结构地震安全的危害性;盾构隧道损害严重位置处均位于液化土层的滑动面;沿轴线的弯矩变化曲线与加速度放大系数曲线和河谷地形具有一致性,且曲线在液化区呈现出明显的突变现象。