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。

基于FK-FE混合方法的位错点源作用下全过程结构地震反应模拟

基于区域缩减思想,集整基于精确动力刚度矩阵的频率波数域(FK)半解析方法和有限元(FE)数值方法各自优势(FK精确高效模拟一维波速结构地震波传播;FEM具有丰富单元和本构类型,可精细模拟工程结构地震反应),提出了一种从震源到工程结构全过程地震反应模拟的FK-FE混合方法。并将FK代码作为插件二次开发到大型商业有限元软件ABAQUS中,实现了ABAQUS平台下从震源到工程结构的全过程宽频地震反应物理模拟。验证了FK-FE混合方法正确性,进而将其应用于位错点源作用下美国SAC机构设计的9层Benchmark抗弯钢框架结构全过程0 Hz~15 Hz宽频地震反应模拟,重点探讨了地壳层波速结构和近地表场地条件对框架结构地震反应的影响。研究表明:地壳层速度结构和场地类别对该结构的地震反应均有显著影响,地壳层速度结构3(较硬)相比速度结构1(较软),结构最大位移和层间位移角分别减小了22.7%和62.0%;Ⅱ类场地相较于Ⅳ类场地,结构最大位移和层间位移角分别减小了22.3%和44.7%。

地铁列车振动对颐和园北宫门古建筑木结构影响的实测与分析

针对地铁运行对木结构古建筑的影响这一问题,本文以颐和园北宫门和北京市地铁4号线为研究对象,采用ABAQUS建立了列车‑隧道‑土层‑木结构古建筑耦合模型。通过与现场实测结果对比,验证了有限元模型的精度,并系统地研究了地铁运行时地铁线路与古建筑之间的夹角、列车速度对木结构古建筑振动的影响。结果表明:场地地表与北宫门结构的振动强度的模拟结果与实测结果基本一致,实际工况下北宫门的振动响应满足限值要求;地铁线路与临近木结构古建筑长轴方向夹角为0°时,结构振动强度最大,且对于不同夹角,振动最强烈的均为距地铁线路最近的结构柱;随着列车速度的增大,木结构古建筑的振动强度显著增大,与车速60 km/h时相比,车速为80 km/h时结构的振动幅度增加了19.67%。

微倾斜场地中地铁地下结构周围地基液化与变形特性振动台模型试验研究

强震中场地砂土液化产生的土层侧移对地面建筑结构和地下生命线工程造成了严重的破坏。可以预见,微倾斜液化场地的土层侧移也将对地铁地下结构的地震安全造成严重的威胁。鉴于此,开展了微倾斜(倾角为6°)可液化场地中两层三跨地铁地下车站结构与区间隧道连接部位地震反应的大型振动台模型试验研究。结果表明:微倾斜可液化场地中地铁车站结构两侧地基出现了明显的非对称液化分布特征,坡体下方水平土层比上方水平土层更易液化;因坡体内土体液化沿坡向下流滑引起了下方水平土层发生了明显的地面抬升,总体上坡体段内的地面侧移量最大,下方水平土层地面侧移量次之,坡体上方水平土层地面侧移量最小。同时,在试验过程中也发现,隧道和车站结构之间发生了明显的差异上浮,可能会造成连接部位附近结构的应力集中或加重该部位的地震破坏。

地下连续墙连接方式对地铁车站结构地震反应的影响研究

目前地铁车站设计中地连墙与车站主体结构之间常采用复合墙与叠合墙两种连接方式,本文基于有限元方法,针对不同连接方式导致结构地震反应差异的问题,采用ABAQUS建立了土-地下连续墙-地铁车站静动力耦合有限元分析模型,分析了地连墙与主体结构连接方式对地铁车站层间位移角、侧移位移反应、动态损伤演化规律等结构地震反应的影响。研究表明:叠合墙地铁车站相对复合墙车站地震损伤整体上显著降低,且具有更好的抗侧移刚度,两种连接方式改变结构的薄弱位置,但两种连接方式中板的中间跨两端都是薄弱位置,应给予足够的重视。

排桩对柱面SH波散射问题研究:解析求解

采用波函数展开法结合Graf加法定理,利用桩体与土体之间的位移和应力连续边界条件,给出了全空间单排桩对柱面SH波散射解析解,并采用傅里叶逆变换,求得时域结果。该方法考虑了入射波曲率的影响,在频域内分析了柱面SH波入射时排桩散射的频谱规律,给出了时域排桩柱面SH波散射位移云图,讨论了桩数与桩间距对柱面SH波入射时排桩散射的影响。研究表明:在振源距排桩较近(d/a=10)时,低频段(η=0~1.0)排桩对柱面SH波的隔离作用显著;振源距排桩较远时,各频段排桩对柱面SH波的隔离作用均较为显著。桩间距固定时,增加桩数,排桩后方首次出现的最大位移响应相应减小,排桩散射的影响范围随之增大;对柱面SH波进行阻隔时,为提高阻隔效率的同时节约成本,不仅需要考虑桩数,还应考虑波源与桩体、桩间空隙相对位置的影响;排桩分布宽度固定时,由于入射波曲率对排桩散射的影响,减小桩间距,排桩后方首次出现的最大位移响应有可能会出现放大的情况,故应采用合理的桩间距对柱面SH波进行阻隔。

地面微倾斜可液化场地中地铁地下车站结构的地震反应研究

砂土液化造成了大量建筑物的破坏,但目前对砂土液化地基中地铁地下结构的地震反应研究相对较少,尤其对微倾斜液化地基中地铁地下结构地震反应的研究更为缺乏。基于有限单元法,采用已开发的砂土液化大变形动力本构模型模拟液化土层的剪切大变形,采用基于ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)算法的有限单元网格动态自适应调整技术解决土体液化大变形发生后有限单元的畸变问题,建立了地面微倾斜液化地基中土体-地下结构非线性动力相互作用的数值分析模型,分析了地面倾角变化对地铁车站周围地基液化分布特征、车站结构周围土层侧移变形特征、地下结构上浮和应力反应的影响规律,揭示了微倾斜液化地基中地铁地下车站结构的地震反应特征。

异跨框架式地铁地下车站结构抗震性能水平与评价方法研究

针对现有异跨地铁地下车站结构抗震分析方法缺乏合理性能评价指标的问题。考虑土体与结构混凝土的材料非线性和接触非线性,建立了土-异跨地铁车站静动耦合整体时域有限元数值模型,通过在基岩处输入不同强度等级和类型的地震动,研究了异跨地铁车站结构的侧向变形规律与地震损伤特性,揭示了该车站结构的地震损伤破坏演化过程,建立了基于层间位移角与损伤破坏状态的异跨框架式地下车站结构抗震性能水平评价方法与物理特征描述。所建议的抗震性能评价方法能初步应用于异跨框架式地下结构的抗震性能水平分析。

土–地下连续墙–复杂异跨地铁车站结构动力相互作用分析

针对目前地铁地下车站结构抗震性能研究中不考虑地下连续墙存在的现实问题,通过建立土-地下连续墙-复杂异跨地铁车站结构静动耦合非线性相互作用的有限元数值模型,对比分析了无地下连续墙、含单层地下连续墙及含双层地下连续墙等不同情况下异跨地铁地下车站结构的地震动力反应特征。结果表明:地下连续墙的存在仅在地震强度较小时能够显著提高车站主体结构的抗水平侧移能力,当地震强度较大时结构的水平位移增大明显;从结构层间位移的角度看,结构下层的层间位移涨幅最大,不考虑地下连续墙存在的计算结果将偏于危险;地下连续墙加强了地铁车站结构的抗侧移刚度,致使车站结构整体变形性态和内力分布发生重大变化,其中结构侧墙端部应力水平明显减小,各楼板端部的应力水平明显增大;本文计算工况中,异跨车站结构的下层中柱是抗震设计时的薄弱位置,其中以双层地下连续墙工况时的结构下层最为危险。

可液化场地中复杂异跨地铁地下车站结构的地震反应分析

地基液化是导致地铁地下车站结构在地震中发生严重破坏的重要威胁之一,然而目前对可液化场地中地铁地下车站结构地震反应的研究较少,尤其是针对大型复杂异跨地铁地下车站结构地震反应的研究更是少见。通过引入砂土液化大变形本构模型,采用有限元网格自适应调整技术克服土体网格大变形的畸变问题,建立了可液化场地土一复杂异跨地铁车站结构静动耦合非线性相互作用的有限元数值模型,分析了该相互作用体系的场地液化分布特征、异跨车站结构上浮特征、周围场地位移沉降及矢量特征、结构侧向变形和地震损伤破坏特征等,初步揭示了该相互作用体系的地震反应规律及液化地基中大型异跨地下结构的地震破坏特征,研究成果可为提高可液化场地中异跨地铁车站结构地震反应的认识及完善其抗震设计方法提供合理的参考。

带地连墙异跨地铁车站结构周围地基液化振动台试验

地下结构的外部轮廓及其对整体抗侧刚度产生明显改变的附属构筑物都将对主体的抗震性能、变形性态和破坏特征等产生显著影响。通过开展可液化地基土–地下连续墙–异跨地铁车站结构动力相互作用的大型振动台模型试验,对比分析了不同强度地震动作用下模型地基的孔隙水压力发展、加速度响应和地表震陷等动力响应规律。试验结果表明:地连墙和地下结构的存在明显减小了其周围地基的加速度和动孔压比反应,且地基液化程度不同时的影响规律存在明显差异;模型地基对地震动的低频段反应更为强烈,反应谱随地震动强度的增大逐渐向长周期移动;当输入地震动强度较小时,模型结构和场地均出现少许沉降,强地震动作用下的地基土沉陷明显,地下结构呈整体水平上浮状态;模型地基动孔压发展及其分布沿结构纵向变化较小,根据试验结果给出了具体的影响规律及其影响机理。

节点圈梁对复杂异跨地铁车站结构地震反应的影响

异跨车站结构中的变跨节点位置是结构整体抗震安全的薄弱环节,但目前关于此类复杂地铁车站结构抗震性能方面的研究工作开展较少,尤其针对节点圈梁对结构地震动力反应影响的研究更是少见。本文通过考虑在变跨节点处设置圈梁和不设置圈梁两种情况,研究了上层五跨、下层三跨的大型异跨地铁地下车站结构地震反应特性,对比分析了节点圈梁对异跨车站结构整体加速度反应、侧向变形反应和地震损伤破坏的影响规律。结果表明:节点圈梁的存在能够减小结构楼板的峰值加速度反应,并对地铁车站主体结构的抗水平侧移能力有一定的提高作用,但其将明显影响结构整体的受压损伤分布特征;在变跨节点处不设置圈梁的构造方法不利于异跨车站结构的抗震设计,而设置圈梁则更有利于提高结构整体的抗震安全。

柱顶设置滑移支座时地铁地下车站结构抗震性能分析

采用在中柱顶端设置弹性滑移支座的方法,建立土-地下结构静动力耦合非线性相互作用的整体二维有限元计算模型,分析弹性滑移支座对地铁地下车站结构的侧移反应和地震损伤等结构地震反应特征的影响规律。结果表明:弹性滑移支座能够有效地减轻中柱及中板的地震损伤程度,使得中柱在地震中完全处于受压状态,能够有效地提高车站结构的整体抗震性能。滑移支座减弱了车站结构的抗侧移刚度和楼板的平面整体抗弯曲刚度,明显增大了地下车站结构的地震侧向位移反应幅值;因中柱改变了地铁地下车站结构的动力反应变形特征,使得车站结构顶底板与侧墙连接部位的结构地震损伤明显加重。

不同类别场地大型异跨地铁地下车站结构地震反应分析

场地类别对地下结构的地震反应具有重要影响,随着地下结构横截面尺寸及其复杂程度的增加,这一影响将愈发显著.针对现有异跨地铁车站结构的特殊性,以苏州地铁工程建设为背景,通过对不同类别场地土-异跨地铁车站相互作用的120个静动耦合整体有限元数值模型结果进行分析,研究了场地类别和地震动特性对此类复杂截面地下结构地震反应的影响规律.结果表明:随着场地条件变差,车站结构楼板的峰值加速度放大系数近似呈线性减小,结构的层间水平相对位移峰值近似呈线性增大;场地类别对车站结构加速度放大效应的影响随基岩输入地震动强度的增大而逐渐减弱,结构的层间水平相对位移则随基岩输入地震动强度的增大而进一步增强;不同场地类别中的异跨车站结构受拉损伤分布位置大致相同,但随着场地条件的变差,尤其是场地类别从Ⅱ类变化为Ⅲ类时,上层悬挑边跨各构件的地震损伤程度明显加重.