基于全连接神经网络的地铁车站响应分析与地震强度指标优选

为了降低随机地震响应分析的计算成本,将人工神经网络方法用于构建概率地震需求模型(PSDM),以预测地铁车站结构的地震响应,并对适用于地铁车站结构响应预测的地震强度指标(IM)进行了优选。首先选取了200条实测地震动,计算IM,并对典型的三层三跨地铁车站结构进行有限元建模,将IM与最大层间位移角作为输入与输出训练全连接神经网络模型(FCNN),得到了最大层间位移角的预测模型。最后基于训练后FCNN输入层到隐含层中的权重矩阵与传统方法对IM进行优选,得出了对最大层间位移角影响最大的IM。研究结果表明:训练后FCNN能以0.95的精度预测地铁车站最大层间位移角,且计算耗时仅为数值模拟的1/5;针对矩形地下结构最大层间位移角,速度型和速度反应谱型指标的影响明显高于其他类型指标,其中速度谱强度(VSI)对最大层间位移角的影响最大。

序列型地震作用下地铁车站损伤分析

以往地下结构抗震分析中,通常只关注单次地震作用下结构峰值响应,对地下结构在序列型地震动下损伤机理认识不足。聚焦序列型地震动下地铁车站的损伤分析,以揭示余震对地下结构损伤的影响规律并探究合理的结构抗震性能指标。挑选7条真实主余震序列,通过地震动反演生成下卧基岩序列地震记录。考虑序列地震动方向性和相对强度的影响,开展土-地下结构系统非线性动力时程分析,并采用峰值层间位移角,残余层间位移角和Park-Ang指数评估地下结构地震损伤。分析结果表明,余震的方向性对损伤的影响呈现不规律性。主余震相对强度较大时,余震引起主震震损后的地下结构向更高级损伤状态跃迁。在地下结构地震损伤评价指标选择方面,残余层间位移角受主余震的相对方向影响显著,而峰值层间位移角无法反映余震强度小于主震时对结构造成的损伤,均不适合作为表征余震造成地下结构附加损伤的指标。而Park-Ang指数除能反映过度变形损伤外还能反映累积滞回能量耗散,能较好地表征结构在主余震下的真实损伤,较适合作为序列型地震作用下地下结构损伤评价指标。

基于耐震时程分析法的高效地下结构地震易损性分析

为研究基于耐震时程分析法对地铁车站进行高效地震易损性分析的可行性,选取Ⅲ类工程场地中典型两层三跨地铁车站作为研究对象进行地震易损性分析。为反映所构造的耐震时程曲线具有所选天然地震记录的离散特性,借鉴IDA分析中分位数回归统计方法,分别以所选实际天然地震记录反应谱的16%,50%,84%分位值作为目标反应谱,各自构造3条人工耐震时程曲线作为有限元模型输入,并基于耐震时程分析结果与IDA结果绘制各级性能水准下的地铁车站地震易损性曲线。结果表明:在Ⅲ类工程场地中两种方法计算得到的地下结构各级性能水准地震易损性曲线吻合良好。因此,考虑输入耐震时程曲线离散特性的耐震时程分析法能够显著降低地下结构进行地震易损性分析过程中的非线性动力时程计算次数,并保证较高的计算精度;同时也验证了基于地震记录反应谱的分位值构造一系列具有离散特性耐震时程曲线进行易损性分析的思路是可行的。

考虑土体参数不确定性的供水管道地震响应分析

埋地管道周围土体性质沿管道纵向存在不确定性,直接影响到埋地管道的地震响应规律和抗震性能。为此,基于设计反应谱合成不同抗震设防烈度下的人工地震动,采用简化弹性地基梁模型,分析地震行波作用下的管道接口动力响应。考虑因安装环境差异、管道老化等因素引起的球墨铸铁管道接口强度的折减,分析土体重度、内摩擦角、黏聚力和土弹簧屈服位移4个不确定性参数对埋地球墨铸铁供水管道地震响应的影响规律,并对不同地震烈度、不同薄弱接口抗拉强度折减系数土参数不确定性规律进行总结归纳。算例分析表明:与确定性参数模型计算结果相比,4个不确定性参数对接口峰值动力响应的影响程度依次为黏聚力、内摩擦角、土体重度、土弹簧屈服位移,同时考虑4个不确定性参数的模型对结果影响最大,最大接口张开量的变异系数可高达9.54%;考虑土体参数不确定性的均值与确定性工况基本一致,最不利值为确定性工况的1.09~1.31倍;管道局部接口抗拉强度的折减对管道接口位移的响应影响显著。基于计算结果给出了不同地震动强度下接口薄弱系数与接口最大张开量的预测公式。

SV波斜入射下预制拼装式综合管廊接口的地震响应规律

为研究浅源地震作用下地下综合管廊在SV波倾斜入射下的接口地震响应规律,首先基于波动理论,将斜入射地震动模拟为施加在黏弹性边界上的等效节点力,并引入非线性弹簧单元模拟管廊接口的力学行为,采用动力时程分析法计算管廊接口的地震响应;其次以典型综合管廊接口的张开量与转角的止水失效限值为依据,给出SV波不同入射角度下管廊接口张开量及转角的安全性评价.分析结果表明:SV波在管廊接口处产生的峰值张开量随着入射角度的增大而先减小后增大,当入射角度为30°时,管廊接口产生的水平张开量最大;在中震、大震作用下,当入射角度为20°~30°时,管廊接口转角超过相应的安全限值,管廊接口可能发生止水失效.综合考虑SV波不同入射角度下管廊接口的止水失效范围可为管廊接口防水及结构安全设计提供参考.

基于IDA方法的地铁车站结构抗震性能评价

针对目前大型地下结构抗震性能评价尚不完善,提出了一种基于非线性增量动力分析(incremental dynamic analysis,IDA)的多层多跨地下结构横断面地震易损性分析的方法.选用典型三层三跨地铁车站建立土-结构二维整体分析有限元模型,采取等效线性化模型模拟土体在地震作用下的剪切模量退化和阻尼增加特性,纤维梁单元模拟多层地下结构在地震作用下的滞回特性.基于PEER强震记录数据库的21条地表地震动峰值加速度中位值,将其统一调幅到不同强度水平,作为非线性IDA的输入地震动.根据IDA结果的统计分析,对于浅埋多层地下结构而言,地表峰值加速度和峰值速度是有效且合适的地震动强度指标,可以用来构建地下结构的易损性曲线.通过与现有的矩形地下结构经验地震易损性曲线和数值地震易损性曲线比较,验证了数值模拟得到的地震易损性曲线的有效性,可以作为快速评价地下结构抗震性能的有效工具.

考虑土体动力特征参数相关性的工程场地随机地震反应分析

研究等效线性化方法中土体动力参数不确定性对场地地震反应的影响,提出了可考虑土体动力特征参数间相关性的土体动剪切模量和动阻尼曲线随机样本生成方法,基于Matlab开发一维等效线性化场地地震反应分析计算程序,用于开展场地地震反应随机动力分析。以Ⅱ类成层场地为例建立一维自由场分析模型,采用不同地震设防水准下露头基岩场地加速度反应谱为目标反应谱,合成人工地震记录折半后作为场地下卧基岩处的输入。计算结果表明,考虑土体动力特征参数不确定性对场地地震反应具有较大的影响,且影响程度与地震动强度、频谱成分及场地基本周期均密切相关;场地最大峰值加速度和地表加速度反应谱的波动范围随地震动强度等级的增加而变大,且最大峰值应变和最大峰值加速度的波动范围可达10%和14%;目标反应谱平台段及场地基本周期处对应的场地地表加速度反应谱的波动范围超过20%。

考虑损伤界限模糊性的地铁车站结构抗震性能评价

在基于性能的地震工程理论框架下,地下结构易损性分析及抗震性能评价当中结构损伤状态的划分多采用确定性的损伤状态阈值。基于传统地下结构易损性分析框架基础上进一步提出了考虑损伤界限模糊性的地下结构易损性分析方法,以三层三跨地铁车站结构为例建立二维非线性土–结构相互作用分析模型,选取21条地表天然地震动反演到基岩面并调幅作为非线性增量动力分析的输入地震动,引入三角形和拟正态形隶属度函数计算不同损伤状态下最大层间位移角的隶属度得到不同地震动强度等级下的模糊失效概率,通过极大似然估计方法拟合计算结果并建立考虑损伤界限模糊性的地铁车站结构易损性曲线。分析结果表明:采用模糊性评价方法所给出的地下结构地震易损性曲线总体上更趋于安全;考虑损伤界限的模糊性,会增加结构地震易损性曲线的离散性;而且隶属度函数类型的选取对模糊地震易损性分析结果影响可忽略不计。

振型分解反应谱法计算加层后结构的几个问题研究

在既有钢筋混凝土结构或砖混结构上加建钢结构层后,应采用整体模型进行抗震计算。由于加层部分与既有结构的阻尼特性不同,不能采用统一的振型阻尼比,本文研究了估计混合结构振型阻尼比的实用计算方法。为确保反映出加层结构部分的高阶振型响应,本文引入了部分结构的有效质量系数的计算方法。最后,探讨了加层结构与既有结构的动力相互作用问题,分析了加层后结构层剪力相对于原结构降低的原因。本文研究的计算方法均已在PKPM程序中实现,选用这些方法可以更准确地进行既有结构的加层改造计算。