基于Davidenkov本构模型的三维沉积盆地非线性地震动谱元法模拟

为研究三维沉积盆地内低波速土体非线性反应对近断层地震动的影响,实现基于物理的全过程(震源破裂-地震波传播-复杂场地效应-近地表土体非线性反应)三维复杂场地地震动模拟,在谱元SPECFEM3D程序中进行二次开发,采用目前具有丰富工程应用且适用于不同土类的三参数Martin-Seed-Davidenkov本构模型,结合已有的不规则加卸载准则,通过在程序中修改每个显式时间步下的应力增量,实现了土体剪切模量的实时更新和加卸载拐点的有效识别,将土体的非线性特性纳入到三维复杂场地地震动模拟中。首先将建立的三维模型通过施加合理边界退化至一维,与一维非线性动力分析软件DEEPSOIL的结果进行了对比,验证了开发的正确性;进而将开发的程序应用于中国滇西南地区施甸盆地的非线性地震动模拟,并与相应的线性结果进行了对比。结果显示,受土体非线性的影响,施甸地区PGA和PGV较线性结果峰值均降低,且非线性土体对PGV的影响更加明显,较线性结果最大降低约30%;沉积非线性使沉积内部观测点的速度及其反应谱幅值降低,且特征频率向长周期方向移动。

考虑下部结构单层球面网壳的地震动参数与易损性分析

目前大跨空间球面网壳结构的地震动参数研究与易损性分析多关注于上部结构,忽视了下部支承体系对整体结构的影响。为选取适于评估带下部结构肋环斜杆型单层球面网壳响应的地震动参数,以6个不同矢跨比、不同下部结构的单层球面网壳为模型,研究下部支承体系对球面网壳动力特性的影响,选取多条三维地震动作为输入对模型进行增量动力分析,从相关性、有效性和充分性三个方面对18个地震动参数进行分析评估。并基于大量算例失效时刻的特征响应,建立了考虑下部结构的单层球面网壳的地震损伤模型。结果表明:有无下部支承对结构基频影响较大,随着下部结构高度的增加,结构基频不断减小,无支承柱结构与带10 m支承柱结构的基频相差高达24%;加速度谱强度、峰值加速度与结构地震响应的相关性、有效性及充分性均优于其它地震动参数,可作为考虑下部结构肋环斜杆型单层球面网壳易损性分析的地震动参数。与此同时,在下部支承结构相同时,矢跨比小的网壳结构抗震性能更好,所致结构倒塌的临界荷载更大;支承高度对网壳抗震性能的影响并非呈线性关系,因此,在结构设计时应合理选取下部支承结构高度。

斜入射地震波下单层球面网壳土-结构相互作用及其地震响应分析

为分析斜入射地震波下单层球面网壳土-结构相互作用及其地震响应,采用等效节点力实现地震波输入,通过黏弹性人工边界处理无穷远辐射条件,分析了地震波类型、土体参数、入射角度等因素对单层球面网壳结构的土-结构相互作用及其地震响应影响。结果表明:单层球面网壳结构在地震波入射一侧出现翘起,网壳总体沿入射方向发生旋转,当P波斜入射时支座位移差最大达0.514 m,为网壳跨度的1/250。当P波斜入射时,软弱土情况下网壳顶点位移比中硬土和中软土大,顶点位移随入射角增大呈现先增大后减小的趋势;当SV波入射时,中软土情况下网壳顶点位移比中硬土和软弱土大,顶点位移随入射角增大而增大。斜入射地震波下,考虑土-结构相互作用后网壳顶点位移增幅最大达5.5倍,网壳外圈位移增幅大于网壳跨中增幅。

基于GP14.3运动学混合震源模型和SPECFEM 3D谱元法的宽频地震动模拟

基于确定性物理模型的全过程地震动模拟是现代地震工程的重要发展方向.然而受限于合理震源模型和计算资源需求,目前模拟的有效频率还多处于低频范围,难以满足工程结构敏感频带(5~10 Hz或更高)需求.本文即借助运动学混合震源模型能激发宽频地震波和谱元法空间高精度及计算收敛快的优势,首先将确定性的凹凸体震源模型与GP14.3随机震源模型结合得到有限断层运动学混合震源模型,进而将上述混合震源模型开发到SPECFEM 3D谱元法开源代码中,实现了基于谱元法和运动学混合震源模型的全过程宽频带地震动模拟.将方法首先应用于一维波速结构模型0~10 Hz地震动模拟,通过与频率波数域(FK)方法结果进行比较,验证了方法的精度;进而应用于2021年5月21日云南漾濞6.4级地震0.1~5 Hz地震动模拟,通过与4个台站的时程记录和相应反应谱的比较,以及与NGA-West2地震动衰减方程在频率0.1~5 Hz的反应谱的比较,检验了方法的适用性;最后给出了漾濞地区的地震动峰值加速度(PGA)和峰值速度(PGV)云图,分析了漾濞地震下近场强地面运动的空间分布特征.结果显示,震中PGA接近400 cm·s-2,PGV达到45 cm·s^(-1),烈度达到Ⅸ度,且受局部地形起伏影响,大理以及洱海西侧位置出现高烈度异常区.

考虑材料老化的加高重力坝地震动力响应分析

混凝土坝的动力响应随着混凝土龄期的增加、性能的退化会发生显著变化,而加高重力坝还受到新老混凝土材料差异的影响。为研究重力坝运行期材料老化和加高重力坝新老混凝土性能差异对地震作用下动力响应特性的影响,以加高的丹江口重力坝为例,利用ABAQUS有限元分析软件进行地震动力响应分析。同时,对比加高重力坝、拆除重建重力坝(即材料全新工况)以及按加高高度建造重力坝(即材料全老工况)3种工况下的地震响应情况,分析加高重力坝在地震动力下随着混凝土材料性能老化的坝顶位移、关键点应力和塑性损伤的响应。研究结果表明:随着混凝土材料老化程度增加,加高重力坝坝体的动力响应总体优于材料全老工况,同时劣于材料全新工况;其中坝体损伤呈经老坝折坡处后向新老混凝土结合面向下延伸的趋势。加高重力坝可适应结构变化后的受力和变形,同时兼具损伤破坏指标低、抗滑稳定性系数高的特点,坝体综合抗震性能得到提高。

基于有限断层震源模型的北京地区强地震动模拟——以1679年三河—平谷8级地震为例

采用谱元法在国家超算中心“天河一号”上模拟了1679年三河—平谷8级地震北京地区强地面运动,开发了适用于谱元法模拟的运动学有限断层震源程序,并依据地面GIS高程数据和地下勘探资料建立了含地表起伏的北京地区精细三维速度结构模型,实现了最高频率为2 Hz的确定性物理模拟。对比双侧破裂和2种单侧破裂情况的模拟结果,重点讨论了破裂方式对强地面运动的影响,结果表明:①三河—平谷地区及附近地区近断层效应明显,北京地区峰值速度总体上呈现“南强北弱,东强西弱”的特征,三河—平谷和大厂地区PGA最高可达0.37 g和0.32 g,平谷、三河、大厂等附近区域加速度峰值明显高于其它地区,为震害分布的主要区域;②断层破裂方式显著影响地面运动分布情况,双侧破裂与单侧破裂相比,影响范围广且对北京地区威胁最大,北京中心城区PGA和PGV分别达到0.12 g和1.0 m/s;③断层破裂方式的改变显著影响了观测点速度时程结果,导致观测点震中距发生变化,当震中距减小时观测点速度时程结果对应出现峰值时刻提前、峰值增大以及地震动持时延长的现象,尤其在观测点处存在沉积地形时这一现象则更为明显。

基于宏细观耦合的塑性混凝土力学特性模拟研究

为揭示塑性混凝土细观破坏机理,基于PFC-FLAC3D耦合建立了柔性膜边界三轴试验模型,深入分析了塑性混凝土在围压效应和尺寸效应下的细观变形破坏特征,采用多元非线性公式定量描述了塑性混凝土宏观单轴力学强度-围压-三轴力学强度的经验函数关系,并结合室内试验结果验证了经验公式的准确性。研究结果表明:围压越大,对内部颗粒运动约束越强,低围压下的剪切带形态更明显。高围压有利于提高结构整体性,弱化抗压强度的尺寸效应。随着尺寸增加,试样中部侧向鼓胀变形减小,斜截面贯通连接的颗粒减少,导致X形剪切面特征逐渐减弱。最后,采用多元非线性拟合方法定量描述了单轴力学强度-围压-三轴力学强度联合关系,为后续研究提供理论基础。

社区尺度斜入射波场下场地-建筑群耦合作用模拟方法

场地-城市相互作用(site-city interaction,SCI)效应会显著改变场地地震波场分布及建筑反应,基于SCI效应理论计算研究方法的发展现状,发挥谱元(spectral element,SE)法可快速高效求解三维地震波场传播和多自由度(multi-degree of freedom,MDOF)模型计算量小且可同时模拟大量建筑的优势,同时,结合频率波数域(frequency wave number analysis,FK)方法,以等效地震荷载的方式施加地震波场,建立了FK-SE-MDOF耦合方法,实现了SE-MDOF耦合模型中多种波型(P波、SV波和SH波)的斜入射输入,解决了当前三维SCI效应研究方法中未能同时考虑建筑非线性、频谱特性、地震波波型及入射角度影响的问题。首先对方法原理进行了介绍;然后,通过与振动台试验的对比,验证了方法的正确性;进而,采用该方法建立理想场地-城市建筑群相互作用耦合模型,主要探讨了入射角度和地震波波型对SCI效应的影响,得到了一些有益结论。该方法较为真实地反映SCI效应影响的同时,可反映建筑基础轮廓对地震波场的影响,适用于需考虑建筑轮廓信息的社区尺度SCI效应研究,可为城市规划、抗震设计、风险评估以及震后救援等工作提供定量指导。

近断层竖向地震动特征统计分析

为研究近断层地区的竖向地震动特性,基于环太平洋地震工程研究中心(PEER)数据库选取890组强地震动,研究了地震动竖向与水平加速度分量峰值比aV/aH与矩震级、断层距、场地条件和断层类型的统计规律,给出近断层竖向加速度与水平加速度峰值比aV/aH的合理取值。采用基于能量的识别方法判定近断层地震动是否包含脉冲,分别研究竖向脉冲和水平脉冲参数与地震参数关系并对比了竖向脉冲和水平脉冲的速度峰值及周期的衰减关系。结果表明:近断层区域竖向加速度与水平加速度峰值比aV/aH受地震参数影响,规范建议值2/3会低估近断层竖向地震;相比较于水平脉冲,竖向脉冲数量少且分布范围小,水平脉冲和竖向脉冲的峰值、周期也存在差异。

大型公共建筑非结构构件抗震性能及韧性提升研究综述

大型公共建筑既是保障震后救灾及城市系统功能恢复的基础设施系统,又是地震灾害的重要承灾体。地震一旦发生,大型公共建筑中非结构构件会造成严重的地震灾害,影响建筑的使用功能、造成巨大的经济损失,甚至给人员疏散和安置带来潜在威胁。文章从理论分析、数值模拟及试验研究等3个方面系统总结非结构构件抗震性能分析方法的研究进展。以吊顶、幕墙及电梯为例阐述非结构构件的地震响应及破坏特征。探讨大型公共建筑中非结构构件抗震性能研究的新思路:结合材料科学、控制科学及交叉学科的发展,不断创新非结构构件的抗震性能分析方法;结合大数据和人工智能技术形成非结构构件震害评价方法和智能识别技术,为非结构构件的抗震韧性评估提供依据;发展非结构构件地震韧性提升技术,为大型公共建筑的安全运行提供技术保障。

地铁运行对国家大型地震工程模拟研究设施的振动影响分析

天津地铁6号线紧邻天津大学北洋园校区,列车运行可能会对学校重要建(构)筑物产生不利振动影响。本文以距该线路较近的天津大学国家大型地震工程模拟研究设施为研究对象,对沿线场地以及设施建(构)筑物进行现场振动测试,研究了振动沿场地的衰减规律和设施建(构)筑物内振动控制点的振动水平;建立了隧道-场地-设施建(构)筑物整体有限元模型,开展了有/无河道(实际存在河道)情况下,场地以及设施建(构)筑物振动仿真模拟分析,着重探讨了河道对场地和设施建(构)筑物的隔振情况。研究表明,由于天津软土场地及河道的影响,场地竖向加速度衰减显著,0~80 m衰减达97.33%;设施的大体积混凝土基础及其底部桩基设计有利于基础自身的振动控制;河道使得场地和设施大型振动台基础的加速度振幅分别降低40.87%和27.97%,场地频谱在0~20 Hz和40~70 Hz区间出现明显的“双峰”现象。

考虑斜入射的重力坝耐震时程法抗震性能评估

为明晰不同入射角度对基于性能的高坝抗震设计的影响,采用耐震时程分析(ETA)法同时考虑空间斜入射,分析大坝抗震性能变化情况。基于ETA法原理合成了3条耐震加速度时程曲线,建立Koyna重力坝-地基三维有限元模型,将耐震时程以不同角度输入地基进行地震动力分析。以裂缝贯穿时间、坝基损伤指标DBI、结构损伤耗能、坝顶顺河向相对位移为性能指标,进行重力坝抗震性能评估研究。结果表明:在耐震时程以不同角度入射时,大坝地震动力响应的差异显著,因此有必要在采用ETA法时考虑斜入射的影响。综合分析,60°入射下坝体损伤最剧烈、损伤耗能最高、坝顶顺河向相对位移最大。

考虑压强、速率影响的FPS材料动摩擦试验与模拟研究

滑动摩擦摆(friction pendulum system,FPS)支座具有良好的隔震与自复位性能在工程中应用广泛,其中,滑动副的摩擦材料对其抗震性能至关重要。该研究开展了不同压强、不同滑动速率下聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)、超高分子聚乙烯(ultra-high molecular polyethylene,UMHWPE)、聚甲醛(polyoxymethylene,POM)、高密度聚乙烯(high-density polyethylene,HDPE)与聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)5种材料与钢界面的动摩擦试验,阐明了不同峰值滑动速率、不同压强下循环退化与黏滞滑移特性的变化规律,分析了瞬时滑动速率(instantaneous sliding rate,ISR)、竖向压强对动摩擦因数(dynamic friction coefficient,DFC)的影响,讨论了材料耐磨特性。分析表明:POM循环退化现象明显、HDPE黏滞滑移现象明显、PTFE与HDPE耐磨性能最差;摩擦因数随瞬时滑动速率的增大而增大,随着压强的增大而减小;指数模型拟合摩擦因数与瞬时速率间关系优于对数函数模型。对高速率摩擦工况,首先建立分子动力学模型进行低速的摩擦因数验证,模拟误差为12.3%~14.2%;而后采用了分子动力学模拟较高速率动摩擦因数;最后结合试验与模拟数据采用指数函数模型建立了FPS的模拟模型,显著性好,可用于有大速率摩擦工况的反应评估。

三向地震作用下叠交隧道地震响应振动台试验研究

叠交隧道是涉及隧道之间、隧道与土体相互作用的复杂体系,其安全性将严重影响城市轨道交通建设。目前,对于叠交隧道振动台试验的研究集中在水平平行和交叉叠交隧道、单向和双向地震动输入。鉴于此,利用自行设计的层状三向剪切模型箱,对竖直平行叠交隧道开展三向地震作用下的振动台模型试验,研究地基土-叠交隧道模型体系动力特性、地基土加速度、叠交隧道加速度、地表沉降、地基土孔压、叠交隧道动土压力及叠交隧道应变等地震响应。结果表明:随着震波峰值加速度(peak ground acceleration,简称PGA)依次增加,地基土-叠交隧道模型体系的自振频率随之减小,而阻尼比随之增大;叠交隧道周围地基土加速度和孔压的梯度差随着地震波PGA的增大而增大,且上隧道周围梯度差比下隧道更大;地基土对加速度的放大效应随着地震波PGA的增大而减弱;相同地震波作用下,相同位置处的叠交隧道加速度傅里叶谱形状相似,但幅值随着地震波PGA的增大而增大。此外,与顶部和底部位置相比,腰部位置加速度傅里叶谱频段范围变宽,幅值峰值有所降低;地表沉降峰值随着地震波PGA的增大而减小,相比地基土两侧位置,中心位置的沉降峰值明显较小;地震波的类型对叠交隧道动土压力峰值和应变峰值影响较小;对于动土压力峰值,两隧道的最大值均为腰部,而上、下隧道的最小值分别为底部、顶部;对于应变峰值,上隧道在腰部明显大于顶部和底部,而下隧道在4个位置相差不大。

非一致地震激励的改进位移输入法:误差分析与应用

非一致激励其破坏性效应复杂,大跨结构地震反应计算时应合理考虑其影响。该研究针对位移输入法(displacement input method,DIM)计算大跨结构非一致地震响应时存在的误差和来源展开研究。采用Rayleigh阻尼假定,分析了某长跨桥梁结构的地震反应及误差,指出了DIM对不同地震动效应的适用性和误差产生的原因。而后讨论了差动激励的常用算法和模拟理论的差异,最后提出了改进的位移输入法(improved displacement input method,IDIM),并进行了验证。结果表明:DIM用于求解大跨结构的非一致地震响应时存在不可忽略的误差,其大小与输入的地震动特性和刚度比例阻尼系数β相关,且随着β的增大而增大。DIM误差来源于忽略了C_(ts)△X_(s)阻尼项(与地震动增量速度和β相关);通过2种IDIM与已有方法对比可知,DIM对于脉冲地震动作用和β较大的情形(较长自振周期)不再适用;所提出的IDIM对于多点激励结构反应计算精度好、算法易用且可靠。最后建议了通用的非一致地震激励结构反应分析流程,考虑了近断层效应、残余位移等并最小化了大刚度、大质量法的舍入误差,研究成果可推广用于大型结构非一致激励的动力响应计算。

大跨度索穹顶结构半主动振动控制分析

为了实现大跨空间结构半主动振动控制,提出了一种基于模糊控制算法的半主动振动控制方法.以某体育馆大跨度索穹顶屋盖为分析对象,建立了基于台站与地震信息的地震动记录选择集,采用研发的新型压电摩擦阻尼器,开展索穹顶结构被动控制研究.将地面加速度和结构变形量2个指标作为控制参数,进行索穹顶结构半主动振动控制分析.结果表明:被动控制时不同地震动强度下结构峰值加速度、最大相对变形量的最小减振率平均值仅分别为3.7%和-1.6%;半主动控制下的压电摩擦阻尼器能够适应不同强度地震动,有效降低结构的峰值加速度和峰值位移,且峰值加速度减振率平均值为20.0%~41.9%,最大相对变形量减振率平均值为12.0%~19.0%.

膨润土浆液及其自凝灰浆黏度微观机理研究

不同厂家生产的钠基膨润土在相同配比要求下制备的自凝灰浆黏度差别很大,其本质是材料微观组分、结构不一致。基于SEM、XRD、EDS与NMR等微观试验,对两个厂家生产的同类钠基膨润土(简称湘源土和玉龙土)及其所制自凝灰浆进行试验分析,并据此对其黏度微观机理进行研究。结果如下:湘源土和玉龙土浆液黏度具有触变性,“卡片宫”的建立与Q~4结构的生成会促使其黏度上升,剪切作用会破坏微观结构使其黏度降低;湘源土蒙脱石含量高于玉龙土的,所以其浆液黏度整体高于玉龙土浆液。搅拌与低剪切作用促进蒙脱石颗粒小片层分散,小片层分散越多,停止剪切后膨润土浆液黏度越高。对于膨润土所制自凝灰浆,其黏度的变化主要依赖于内部电荷吸附与水化反应的程度,水化反应生成的C-S-H凝胶会促进浆液黏度提高。自凝灰浆在凝结过程中生成的碳硫硅酸钙不利于C-S-H凝胶生成,湘源土自凝灰浆碳硫硅酸钙含量高于玉龙土自凝灰浆的,所以其整体黏度低于玉龙土自凝灰浆的。

动水作用下岩体裂隙中颗粒运动规律的试验研究

动水作用下岩体裂隙中的颗粒运动是引起渗透破坏的常见原因。针对天然岩石裂隙的随机性与隐蔽性,采用三维Weierstrass-Mandelbrot分形函数构建随机裂隙通道,并采用3D打印方法获得透明裂隙模型实体,使用微流体控制仪开展动水作用下颗粒在裂隙中的运动试验,分析裂隙粗糙程度、颗粒粒径与裂隙开度的比值(简称粒径隙宽比)、渗流水压力对颗粒在裂隙中起动、运移的影响规律,进而推断岩体裂隙发生渗透破坏的可能性。研究结果表明:颗粒在岩石裂隙中的运动规律与裂隙粗糙程度、水压力、颗粒粒径隙宽比3个因素有关。裂隙粗糙程度越大,或颗粒粒径隙宽比越大,颗粒越不容易开始运动,即裂隙发生渗透破坏的可能性越低。同时,水压力是颗粒运动的主导因素,颗粒粒径隙宽比对颗粒运动的影响与水压力有关。存在一特定水压力临界值,未达到该水压力时,颗粒粒径隙宽比对平均运动速度的影响不明显,超过该水压力后,影响程度显著增大,且该临界水压力值的大小与裂隙粗糙程度有关,裂隙越粗糙,临界水压力越大。

大跨度钢桁架隔震结构隔震性能及影响规律分析

由于大跨空间结构竖向振动问题突出,水平隔震支座难以有效控制结构的竖向地震响应。将摩擦摆水平隔震支座和空气弹簧-摩擦摆三维隔震支座应用于大跨度钢桁架中,分析钢桁架水平隔震结构和三维隔震结构的隔震控制效果。结果表明,水平隔震和三维隔震均延长了结构自振周期,隔震后一阶振型为上部桁架结构沿水平方向的整体平动。时程分析显示,在普通地震动、近断层脉冲型地震动和远场长周期地震动作用下,水平隔震支座对桁架水平和竖向节点峰值加速度的平均隔震率分别为43.4%和9.2%,三维隔震支座对桁架水平和竖向节点峰值加速度的平均隔震率分别为43.8%和24.4%,水平隔震支座和三维隔震支座对桁架峰值等效应力的平均隔震率分别为4.2%和17.7%。水平隔震支座和三维隔震支座对桁架水平地震响应控制效果基本相同,三维隔震支座对结构的竖向地震响应控制效果更好。

振动台试验饱和机制砂模型土动力特性研究

根据饱和砂土-结构相互作用振动台试验的相似性要求,对饱和砂土的相似性要求进行探讨,提出以机制砂作为通用的饱和砂土模型材料。通过动力三轴分级循环加载试验,研究饱和机制砂模型土的最大动剪切模量Gmax、动剪切模量比G/Gmax-γ曲线、阻尼比λ-γ曲线、孔压比ru-ΔW曲线的变化范围,得到其动力本构模型参数随有效粒径d10、不均匀系数Cu、曲率系数Cc和相对密度Dr的变化规律和拟合公式,并根据相似要求和拟合公式分不同情况给出饱和机制砂模型土的配制方法。与文献中多种原型砂土的相似性分析表明,饱和机制砂模型土可以对大部分原型砂土有效实现动力特性相似和液化特性相似,证明其广泛适用性。