叠合板式综合管廊侧墙连接节点面外抗震性能试验研究

叠合板式综合管廊属于半装配式结构,其接缝数量少,抗渗性能优越,应用前景广泛。为了研究采用灌浆套筒连接和浆锚搭接连接两种连接方式的叠合板式综合管廊侧墙在面外荷载作用下的抗震性能,该文开展了采用两类连接方式的足尺侧墙模型的面外低周反复试验,并与管廊现浇侧墙构件作对比。通过分析试件破坏模式、裂缝分布以及受力性能指标,初步揭示了不同连接方式对叠合板式侧墙面外抗震性能的影响。研究表明:叠合板式试件与现浇试件抗震性能基本一致,滞回曲线均较饱满,极限承载力与刚度退化规律基本一致,满足装配式结构等同现浇的抗震设计要求;两类叠合板式管廊侧墙试件延性系数分别为7.05和8.50,均具有良好的面外延性,满足我国抗震设计规范中变形能力要求;采用浆锚搭接连接的叠合板式试件与采用灌浆套筒连接的叠合板式试件相比,滞回曲线更加饱满,变形能力好,但峰值抗侧承载力低,相同侧向位移下损伤破坏严重;两种连接方式的均可有效传递钢筋应力直至构件破坏。

双面叠合装配式管廊侧墙面外抗震性能试验

为研究采用螺旋箍筋套筒底节点连接的预制双面叠合式管廊侧墙在面外荷载作用下的受力变形性能,对2个采用该节点连接的足尺侧墙试件进行了不同轴压比下低周往复加载试验,并与对应2个现浇试件作对比,初步揭示了螺旋箍筋套筒底节点和竖向轴压比对管廊侧墙面外抗震受力变形性能的影响。试验结果表明:两种试件滞回曲线均较为饱满,具有良好的抗震耗能能力,满足装配式结构抗震变形设计要求;叠合装配试件上部区域剪切变形均高于现浇试件,且裂缝遍布整个墙体高度范围,具有良好的面外变形能力。

基于ReCOVER体系的我国城市韧性演进特征分析

城市化进程的加速和面临的多样化挑战使得城市韧性成为城市可持续发展的关键策略之一,深入研究我国城市韧性水平的演进特征对于全面了解我国城市发展的整体情况和提高城市防灾减灾能力具有重要意义。探究了2016—2020年我国31个省级行政区城市韧性水平的时空演进特征,基于城市韧性评价体系ReCOVER对5 a间各省级行政区城市韧性水平进行综合测算,从时间维度和空间维度两方面综合分析了各省级行政区城市韧性的演进特征。结果表明:在时间维度方面,我国城市韧性水平整体得到提升,但各省级行政区的演变特征存在多样性。分阶段而言,4个阶段的韧性水平整体均呈现出增长的趋势;分维度而言,除社区与人口维度韧性水平呈现下降趋势外,其余维度韧性水平均得到提升。在空间维度方面,各省级行政区城市韧性之间呈现出显著的空间正相关性,即城市韧性在空间分布上存在显著集聚的现象,且集聚趋势呈现一定的离散性;总体而言,我国城市韧性在空间上呈现出明显的东高西低格局,空间分布差异特征明显。研究结果有助于了解各省级行政区的韧性水平演进趋势以及驱动城市韧性的主要因素,从而可以基于韧性演进特征和区域城市特点,为未来的韧性提升提供科学的理论指导。

不同场地条件下埋地腐蚀钢管地震易损性评价

为评估不同场地中埋地腐蚀管道的抗震性能,建立管-土非线性相互作用分析模型,基于增量动力时程分析方法,以埋地钢管结构应变为性能参数,对不同场地中埋地腐蚀管道的地震易损性进行了分析。结果表明:同一场地条件和服役龄期下,随地震动强度的增大,管道处于基本完好状态的概率逐渐降低,处于严重破坏状态的概率逐渐增加;同一场地条件下,随管道服役龄期的延长,中等损坏极限的曲线斜率增长明显大于基本完好极限的曲线斜率,但管道失效的速率在逐渐变小,软弱场地中服役龄期50a管道在抗震设防烈度8度时已发生中等损坏;同一地震动强度和服役龄期下,随场地等效剪切波速的减小,管道达到基本完好极限、中等损坏极限的失效概率逐渐增大,软弱场地中失效概率最大;同一服役龄期下,随场地等效剪切波速的减小,管道达到中等损坏、严重破坏的地震动峰值加速度明显降低,较低地震烈度下的软弱场地管道震害甚至高于较高地震烈度下的坚硬场地。本研究可为不同场地中埋地腐蚀管道的震害预测及灾后损失评估提供参考。

强震作用下跨断层管道柔性接口抗震加固研究

强烈地震引起的地面永久性大变形是导致埋地供水管线损坏的主要威胁之一。该研究借鉴链式结构的设计思想,基于传统承插式管道接口形式,研发了一种新型管道抗震接口,其可支持一定的轴向伸缩自由变形。当接口变形量达至极限状态时,接口发生自锁现象并能提供较高的抗拉承载力,进而带动相邻管道滑移,以抵消断层错动引起的变形量。针对新型抗震接口开展了轴向力学性能试验,并建立了跨断层下的管线数值模型;同时,数值结果与相关全尺寸试验进行对比验证。该研究以土体压实条件和断层穿越管道位置作为关键变量,研究了加固前后断层错动下承插式管道的力学响应。研究结果表明:提出的抗震接口能够有效地提高管道抵抗地面大变形能力,并且提高接口的轴向抗拉拔能力是提升管道抗断层错动能力的关键;对于松砂土跨断层下的承插式管道接口震损较为严重;断层穿越管道不同的位置会造成不同的接口变形规律;国内规范中管道接口的转角限值过于保守,不利于对跨断层承插式管道安全性能进行合理验算。

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。

生命线工程的可靠性研究进展分析(Ⅱ)——国内电力系统的抗震可靠性

为了解国内电力系统的抗震可靠性研究现状,基于知识图谱分析软件CiteSpace分别对城市电力系统—城市电力系统抗震(可靠性)—城市电力系统抗震可靠性3个层次4个领域的发文量、发文作者、发文机构、期刊和关键词展开系统分析,梳理该领域的历史发展脉络,明确热点问题、核心团队以及研究主题。通过进一步分析研究主题,明确其研究现状和关键科学问题。研究表明:国内电力系统的抗震可靠性研究主要包括地震灾害、地震反应、易损性、可靠性4个方面;关键科学问题包括不同电力设备与设施的震害机理与抗震措施、电力系统不同元件地震易损性分析方法、变电站和城市电网系统的韧性评估方法与提升理论、以电网为核心的耦合基础设施系统的灾害传播机理与量化模型4个方面。

考虑交叉管线影响的城市供水管网地震响应分析及震害评估

以北京市某地区埋地供水管网为实例,通过直线型和交叉型典型管道二维有限元模型,系统分析了管道规格、接口形式、场地条件、地震动强度等级和地震动入射角等关键参数对管道接口轴向和转角变形的影响,得到了不同设防烈度地震动作用下该供水管网的损伤情况。基于国内外管道接口试验数据统计分析结果,确定了基于接口变形量的管道损伤判定准则,并用于不同管道接口类型地震损伤评价,建立了不同场地条件下典型管道接口地震损伤数据库。根据管道属性、场地信息和管道接口地震损伤数据库,基于GIS软件绘制管网地震损伤分布图。结果表明:相同烈度地震作用下,管线交叉处接口峰值变形量约为直管线接口的1.5倍~2.0倍,其中与法兰接口邻接的承插式接口存在峰值变形突变。罕遇烈度地震动作用下的管网地震损伤程度远高于设防烈度,且破坏多集中于Ⅳ类场地和管线交叉处。

韧性城市视角下地铁系统安全运营评价指标体系

为降低地铁系统安全运营风险,从韧性城市的视角提出了一种针对城市地铁系统安全运营的评价指标体系。该指标体系在解析既有地铁系统评价指标体系基础之上,从地铁系统物理构成要素的五个基本维度出发,沿时间切入韧性的四个基本特征,建立了针对地铁系统韧性这一目标的评价方法,并概述为地铁系统韧性评价的541指标体系(即五个维度、四个特征、一个目标)。运用层次分析法对该体系内各级指标的权重进行计算和比较,结合可拓物元理论构建地铁系统韧性评价模型,并以某市地铁系统为例,利用专家打分法得到的分值进行模型的运用。这一指标体系不仅可有效识别整个地铁系统关键物理要素,并将其与韧性的不同特征建立联系,是韧性城市理论在地铁系统领域的重要拓展,对于指导地铁系统的安全运营具有很好的参考价值和借鉴意义。

考虑地震强度空间变异性的地铁系统连通可靠性分析

考虑地震强度的空间变异性,本文提出一种以震后通行能力为目标的地震作用下地铁系统连通可靠性评价方法。首先,根据历史地震资料和地震烈度衰减关系,开展目标区域地震危险性分析,生成具有空间变异性的地震动峰值加速度场;其次,采用图论建模方法构建地铁网络拓扑模型,并将地震动场输入网络;再次,结合结构地震易损性模型计算地铁车站、区间隧道的地震失效概率,并模拟地铁网络的震后状态;最后,引入有效连通的概念建立了3种指标:网络连通可靠度、车站连通可靠度和运营线路故障率,基于Monte Carlo模拟方法从不同角度对地铁系统的抗震连通可靠性进行分析。基于上述流程以北京市城六区地铁系统为例进行抗震连通可靠性分析。结果表明:地震强度的空间变异性对系统连通可靠度的影响显著;在50年超越概率为10%的地震作用下该地铁系统中88%的车站之间能够实现有效连通;运营线路之间相互交错形成闭环能有效提高系统的连通可靠度。

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。

非一致激励下埋地管道地震响应数值模拟及其试验验证

为了研究埋地管道在非一致激励下的地震响应,本文利用已开展的埋地管道非一致激励振动台试验,建立了能考虑埋地管道非一致地震激励和管-土非线性动力相互作用的三维有限元数值模型。该模型采用静-动力耦合分析方法,土体选用Davidenkov非线性本构模型,管-土相互作用采用摩擦接触以考虑管-土的滑移、分离现象,模型边界采用滚轴边界,模型底部地震动输入为振动台试验中主动箱底部加速度传感器测得的加速度时程。分析结果表明:数值模拟计算与振动台试验实测结果在加速度时程、加速度放大系数及沿管道轴向的应变峰值曲线等方面吻合较好,体现出了相似的规律,相互印证了数值模型和振动台试验结果的正确性。

碳纤维增强复合材料加固后埋地压力钢管在逆断层作用下的力学性能研究

碳纤维增强复合材料(CFRP)被广泛应用于工程结构加固领域,以提高结构抵抗变形的能力。基于管道-土体相互作用三维非线性有限元分析方法,研究逆断层作用下埋地油气钢管经外包CFRP加固后的非线性响应规律和破坏模式。基于Hashin失效准则模拟CFRP受力破坏过程,与相关理论公式进行对比验证,并对加固前后逆断层错动连续埋地钢管力学响应进行分析。研究结果表明,CFRP加固钢管可显著提高其抵抗逆断层错动的能力,0°/90°为最佳缠绕角度;管道内压的施加虽抑制了管道轴向应变的增加,但当管道发生局部屈曲后,管道内压会导致管道屈曲集中于应力最大处;管道内压的施加不仅增强了CFRP加固钢管的抗变形能力,还抑制了CFRP加固钢管发生局部屈曲后应变的发展。

球墨铸铁管道接口弯曲性能试验

为了研究球墨铸铁供水管道承插式接口在拉弯耦合作用下的力学性能及破坏模式,开展了系列管道接口的极限抗弯承载力试验。在外部无覆土、管内水压为0.2MPa条件下,考虑接口不同拉弯耦合形式、单调和往复加载形式,并分别对DN150和DN200型管道承插式接口进行了四点弯曲加载,研究接口的力学性能变化过程及破坏形态。试验结果表明:根据承插式接口不同的初始张开量,管道接口的“弯矩-转角”曲线大致分为3个阶段(线性增长阶段、塑性发展阶段和承载力极限破坏阶段),当安装深度与承口深度比在0.67左右时,DN150和DN200型管道接口的弯曲转角变形能力最大,分别为15.9°和12.8°,对应抗弯承载力分别为7.8kN·m和9.2kN·m;往复加载下,安装较深的管道接口具有较高有效抗弯刚度,但在二次加载时刚度退化显著;承载力极限破坏时管道插口发生屈曲变形,管底最大残余应变为5.7×10^(-4),接口椭圆度达4.2%。相关结论可为埋地球墨铸铁管线的震害、抗震验算、设计与措施等研究提供参考。

钢管混凝土中柱地铁车站结构地震响应规律

为提高和改善地下结构抗震性能,现有地铁车站结构通常采用钢管混凝土中柱,主要考虑混凝土中柱类型对地铁车站结构的地震响应影响,以两层三跨地铁车站作为研究对象,采用OpenSees有限元软件建立土-地铁车站结构二维整体有限元模型,并基于合成人工地震动输入土-地铁车站结构整体有限元模型,对模型进行非线性时程分析,研究钢管混凝土中柱地铁车站地震响应规律。结果表明:多遇地震动和设防地震动作用下,钢管混凝土地铁车站顶层中柱最大层间位移角相较于钢筋混凝土地铁车站分别降低了5%和1%,底层中柱最大层间位移角下降幅度仅为24%和8%;罕遇地震动作用下,钢管混凝土中柱使地铁车站顶层和底层最大层间位移角分别降低了9%和7%,钢管混凝土中柱底部在最大变形时刻承受的剪力增加了7%;极端地震作用下,地铁车站结构产生较大变形,钢筋混凝土中柱出现破坏时刻钢管混凝土中柱并未破坏,钢管混凝土中柱对地铁车站结构抗震性能提升作用显著。

中国特色韧性城市的经验探索与未来趋势——从唐山地震到汶川地震

城市作为人类生产生活的主要聚集区域,始终面临着地震、暴雨、台风等各类自然灾害的威胁,以系统的观点加强城市防灾减灾的研究,是土木工程学科所面临的重要课题。韧性城市作为近年来城市防灾减灾领域的新概念,是指城市面临各种自然灾害和人为冲击时,作为一个有机体能够保障居民基本生活的需求并迅速恢复其功能。该文以中国城市防灾减灾史中的2次标志性事件(唐山地震和汶川地震)为依据,通过对系列灾害调查报告的深入分析,以韧性城市的全新视角,详细梳理了2次灾害中城市破坏和恢复的全过程,进行了如下工作:1)从系统的层次重新定义了城市,界定韧性城市的基本概念和量化方式、基本维度和基本特征;2)明确城市灾后恢复的基本过程和功能恢复曲线;3)揭示城市灾后空间分布的异化现象与内在机理;4)讨论了城市生命线工程灾后恢复的基本过程和相互耦合现象;5)进一步明确未曾得到重视的特殊基础设施系统。该文不仅以事实为依据,系统总结了唐山地震和汶川地震中我国在城市防灾减灾领域的经验探索和巨大成就,同时亦可为未来建设有中国特色的韧性城市研究体系和实践体系,提供了有效借鉴。

走滑断层错动下采用抗拉拔承插式接口埋地管线力学性能及破坏机理

断层位错下供水管线的破坏形式主要集中在管道接口等管线结构力学性能薄弱环节。在传统供水管线承插式接口的基础上引入橡胶垫圈和金属限位环进行优化改进,提出一种新型抗拉拔承插式接口,在达到正常使用极限状态前可发生一定拉压和转动变形;当接口轴向变形达到一定变形后,发生自锁现象阻止接口发生进一步拉脱破坏;自锁后的接口带动相邻管段与土体发生相对运动,形成锁链效应,从而有效吸收断层错动引起的管线过渡变形。为了研究采用新型承插式接口供水管线抵抗断层错动的能力,针对管道埋深、管道-断层夹角等关键因素,通过建立三维非线性管-土相互作用有限元模型进行深入分析,结果表明:采用新型承插式接口的管线其抵抗断层大变形错动的能力提高了近4倍,其失效模式由普通承插式接口的拉拔破坏转为接口的弯曲破坏;对于采用新型承插式接口的管道,其在管线-断层夹角为120°左右并且浅埋的情况下,其抵抗断层错动的能力提高最明显;有效的提高管道接口的轴向拉伸承载能力是提高承插式管道抵抗场地大变形能力的关键。

基于K-NET强震台网的海底地震动特征初探

为了研究海底地震动的特性,本文基于日本K-NET台网,选取124次地震事件中,5个海底台站和6个陆地台站所记录的981条地震动记录。经过数据筛选与处理,对典型地震动参数、动力放大系数谱和竖向与水平谱比进行了分析。结果表明:海水的存在会削弱竖向地震动的高频成分,导致竖向峰值加速度和强震持时要显著小于水平向;海底场地条件对海底地震动有放大作用,则选用陆地地震动进行海洋工程抗震设计会低估地震荷载带来的影响;当周期0.1 s<T<0.8 s时海底地震动的动力放大系数谱大于陆地地震动,最大值要大于抗震规范设计值,沿用现有的陆地抗震设计规范展开海底工程建造存在风险。

基于系统动力学的城市供水管网动态抗震韧性评估方法

城市供水管网是生命线工程的重要组成部分,随着韧性城市研究和建设的开展,以系统的视角重新审视供水管网的综合防灾减灾能力,建立一种可有效反映管网震后恢复过程的量化的抗震韧性评估方法成为一种现实需要。该文基于供水管网震后恢复的典型过程,提出了供水管网地震灾后恢复的4个特征阶段,并针对应急阶段和抢险阶段,提出了一种基于系统动力学理论的供水管网动态抗震韧性评估方法。该方法不仅可以有效地反映地震灾后外部需水要求随人群迁移和火场变化而变化特征,而且可有效评估救援资源对管网功能恢复的影响,并实现供水管网的动态抗震韧性评估。

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。