山岭隧道衬砌-减震层体系动力响应研究

为了探寻隧道设置减震层时影响减震层减震性能的关键因素,建立了设置减震层的隧道有限元数值模型,将数值模型与振动台试验进行对比,验证了数值模型的可靠性。改变减震层设计参数和围岩条件,通过对隧道结构的主应变、相对变形率以及围岩的塑性区进行分析,研究不同参数条件下减震层的减震效果。结果表明:设置减震层后隧道加速度响应的传递函数在15~30 Hz频段范围内减小,说明减震层通过吸收地震波中的高频成分,减小地震波能量向隧道的传递,进而减小隧道的地震响应。参数分析结果表明:减震层弹性模量越小厚度越大,减震层的减震效果越加明显,但隧道结构的相对变形率也随之上升。相比于增加减震层厚度,降低减震层弹性模量对减震效果的提升更为显著。在坚硬围岩中的设置减震层相比于软弱围岩减震效果更显著。

近场数值波动分析中地震波输入的一种简化方法

在显式有限元方法结合黏弹性人工边界的时域波动方法的基础上,建立了地震波垂直输入时的一种简化输入方法。将近场有限元模型沿高度方向进行分层,将地震动的入射运动转化为作用于人工边界底面及分层后每层侧面上的均布力,以实现地震动的输入。与以等效节点力的方式实现的地震动输入相比,施加均布力的方式简化了地震波输入的前处理工作,且又能保证与等效节点力方式相同的精度。自由场数值算例表明:当该方法中的分层高度与波动有限元网格离散要求的最大尺寸相等时,该方法与等效节点力方法具有相同的精度;当局部区域按网格离散要求的最大尺寸进行分层而在其它区域放大分层高度时,局部区域上的近场波动响应仍可保证具有相当高的精度。另外,某隧道结构地震响应算例的计算结果同样说明了该方法的有效性。

界面特性及骨料分布对混凝土破坏模式影响

过渡区界面(ITZ)是混凝土细观组分中的相对薄弱环节,对混凝土的宏观力学性能具有重大影响。基于混凝土随机骨料模型,采用扩展有限元法(XFEM),对单轴拉伸及弯拉条件下混凝土材料的细观破坏过程及机理进行数值模拟,研究界面特性及骨料空间分布形式对混凝土宏观力学性能及破坏模式的影响。数值结果表明:(1)不同界面强度使得混凝土具有不同的细观破坏模式,界面强度越高混凝土宏观强度越高;(2)骨料分布形式影响混凝土细观破坏模式,但对混凝土宏观弹性模量及强度的影响可忽略。

不同场地条件下地连墙对地铁车站结构地震动力响应的影响

地铁车站多采用基于地下连续墙(简称:地连墙)的明挖施工方法,施工后地连墙作为永久结构与车站共同受力。在车站结构抗震分析中,考虑到地连墙可能对结构抗震的有利作用,出于安全储备考虑通常忽略地连墙的存在,但地连墙对车站结构地震响应的影响规律和机理仍有待深入研究。以某典型两层三跨地铁车站结构为对象,基于近场波动有限元方法并结合黏弹性人工边界条件,开展有无地连墙情况车站结构地震响应特性对比研究,揭示不同场地条件下地连墙对车站结构地震响应的影响规律,阐明地连墙的影响机理。研究结果表明:地连墙具有减小车站结构总体层间位移效应,有利于侧墙和底层中柱抗震,但同时放大了顶底板与侧墙连接处的弯矩和正应力;地连墙对结构顶层中柱端部及中跨中板板端的内力和正应力的影响与场地条件相关,坚硬和中硬场地条件下具有减小效应,软弱场地下略有增大作用。上述结构响应规律的原因可归结为地连墙增加了结构侧墙刚度,降低了结构整体侧向变形,但限制了侧墙的弯曲变形,导致结构顶底板与侧墙交接处的弯曲变形和内力增大。

采用不同新型功能柱的地下车站结构抗震性能对比研究

基于高轴压比下中柱侧向变形能力不足导致含内柱框架式地铁车站结构地震破坏的机理认识,部分研究者在保证中柱竖向承载力不变的前提下,提出了分体柱、叠层夹芯柱、截断柱等几种新型功能柱以提高中柱侧向变形能力,进而提高车站结构抗震性能。当前对新型功能柱在地震作用下的力学行为已开展了大量研究,但对不同柱体形式对车站结构整体抗震性能提升效果并未开展系统评价,且缺乏直接对比研究。首先,针对某单层双跨地铁车站结构建立整体三维非线性数值分析模型,开展不同地震波及不同地震强度下传统方柱、分体柱、叠层夹芯柱、截断柱等4种中柱形式下的地震响应计算,从车站层间变形、整体损伤及关键构件内力响应等方面对新型功能柱的减震效果进行对比评价。研究结果表明:在降低车站结构混凝土损伤方面,截断柱效果最佳,叠层夹芯柱次之,分体柱最弱;3种新型功能柱在提高结构中柱延性方面,叠层夹芯柱效果最佳,截断柱次之,分体柱最弱;在降低结构中柱内力响应方面,叠层夹芯柱最佳,分体柱次之,截断柱最弱。相关研究结果可为含内柱框架式地铁车站结构减震设计提供理论指导。

岩石三维强度准则的研究

结合非线性统一强度理论与Hoek-Brown强度准则,以Hoek-Brown强度准则构建子午面上的强度曲线,以非线性统一强度理论构建偏平面上的强度曲线,通过应力空间变化方法将子午面上强度曲线与偏平面上强度曲线进行结合,从而建立一种新的岩石三维强度准则。建立的强度准则在子午面上为非线性,考虑岩石材料的静水压力效应;在偏平面上强度线涵盖了从上限Drucker-Prager圆到下限Matsuoka-Nakai曲线之间的所有区域,可较好模拟岩石材料的中间主应力效应。强度面光滑、外凸,可用于建立岩石的屈服函数。强度准则共有3个材料参数mt、?c、mi,各参数可通过岩石试验数据确定且具有明确的物理意义。另外,该文提出一种mt的近似求解公式,总的参数可退化为?c和mi,与Hoek-Brown准则基本参数一致,可由岩石常规三轴压缩试验按Hoek-Brown提出的回归公式确定。与国内外学者已开展的岩石材料三轴试验结果进行对比,建立的强度准则与试验数据吻合良好,可合理描述岩石材料的非线性强度特性。其次,通过引入地质强度指标GSI,建立的强度准则可应用于较为完整的岩体(GSI>25),对于较为破碎岩体(GSI<25)需做进一步的研究。

SV波斜入射对岩体隧道洞身段地震响应影响研究

基于显式有限元方法并结合黏弹性人工边界条件,推导了SV波斜入射时人工边界面上等效节点力的计算公式,并基于通用有限元软件实现了SV波的倾斜输入。采用简单算例验证了SV波斜入射输入方法的准确性。分别考虑了SV波在隧道横断面和纵断面内斜入射工况,研究了SV波斜入射条件下岩体隧道洞身段地震响应规律。计算结果表明:SV波斜入射时的隧道地震响应规律与垂直入射时具有较大的差异;SV波在不同断面内斜入射时隧道的地震响应结果也具有较大差别。

岩石三维弹塑性损伤本构模型研究

基于应变等效假设和真实应力概念的弹塑性损伤理论,在真实应力空间内,结合非线性统一强度模型,以广义塑性剪应变为硬化参数,并同时考虑应力水平对硬化速率的影响,建立了无损状态下岩石材料的弹塑性表达式;在名义应力空间内建立考虑围压对损伤速率影响的损伤演化方程,从而建立了岩石材料的三维弹塑性损伤本构模型。本构模型中各物理参数意义明确,与材料试验结果的对比表明,所建立的三维弹塑性损伤本构模型可较好地描述岩石材料在多轴受力情况下的变形与强度特性,为岩体工程的复杂非线性受力分析提供理论依据。

基于扩展有限元法的混凝土细观断裂破坏过程模拟

扩展有限元法(XFEM)是分析不连续力学问题(特别是断裂问题)的一种有效的数值方法。在常规的有限元位移模式中,基于单位分解的思想加入一个跳跃函数和渐进缝尖位移场来对不连续体附近的节点自由度进行局部加强,从而反映了位移的不连续性。介绍了扩展有限元的基本原理,给出了扩展有限元进行混凝土开裂及裂纹扩展的分析方法,最后采用扩展有限元法模拟了湿筛混凝土单轴拉伸作用下及Winkler L-型混凝土板的细观断裂破坏过程。分析了混凝土裂纹萌生、扩展的过程及破坏形态,数值结果与实验结果吻合良好。研究表明:扩展有限元法通过特定的位移模式,使裂纹两侧不连续位移场的表达独立于网格划分,能有效地模拟混凝土材料细观断裂破坏过程。

P波作用下跨断层隧道轴线地震响应分析

基于近场波动有限元方法并结合黏弹性人工边界条件,针对3D断层场地,通过求解等效二维场地地震响应,从而获得3D场地地震动输入的自由场响应,并将自由场响应转化为3D模型边界面上的等效节点力,从而建立含断层3D场地P波入射的倾斜输入方法。自由场算例验证所提方法具有较好精度,进而基于建立的输入方法,开展了跨断层隧道地震响应的数值模拟研究。数值模拟结果表明:在P波作用下,隧道跨断层部位处于拉、压、剪切的复杂受力状态,且断层处的隧道衬砌地震响应明显大于其他部位的地震响应;围岩的力学性质与断层的力学性质相差越大,断层处衬砌的地震响应放大越明显;断层处衬砌地震响应随断层深度的增加而增加。另外,跨断层隧道的地震响应受P波入射角度的影响较大,随P波入射角度的增加,断层处隧道衬砌的轴力、弯矩先增加后减小,而剪力具有逐渐减小的规律。

多轴加载下混凝土细观破坏模拟的强度准则探讨

实际工程结构中混凝土材料大多处于双轴或三轴的复杂应力状态,已有的细观力学数值研究工作大多针对单轴加载问题,对于双轴或者三轴加载条件下混凝土破坏模拟的研究相对较少。复杂受力条件下的混凝土材料破坏模拟中,细观组分强度准则选取的合理与否将成为混凝土破坏模式及宏观力学性能数值研究准确和成功与否的关键。本文旨在探讨单轴强度准则,如最大拉应变准则在多轴加载条件下混凝土破坏过程研究中运用的合理性。鉴于此,首先在细观尺度上建立了混凝土试件的二维随机骨料模型,分别采用弹性损伤本构关系模型及塑性损伤本构关系模型来描述细观组分(即砂浆基质)的力学性能,对双轴加载条件下混凝土的细观破坏过程进行数值模拟,对比了单轴强度准则和多轴强度准则下混凝土试件破坏路径及宏观应力-应变关系的差异。数值结果表明,简单的单轴强度准则难以反映双轴加载下混凝土内部应力状态的复杂性,不宜采用单轴强度准则来描述多轴加载下混凝土的破坏行为。

不同SV波输入方向下山岭隧道的地震响应分析

首先,针对均匀半空间的三维模型,推导了地震波SV波输入下等效节点力的求解公式,建立了SV波的三维倾斜输入方法。通过与其他数值解对比,验证了输入方法的准确性。与以往建立的SV波输入方法只能相对三维模型的某一平面内改变输入方向相比,所建立的方法可在三维空间内任意地改变输入方向。最终,基于建立的输入方法,模拟了不同SV波输入方向下某长大隧道洞身段的地震响应规律。研究了SV波入射方向对隧道衬砌的塑性变形、轴向拉伸变形、轴向剪切变形、横截面出平面变形和横截面平面内变形的影响。通过数值模拟分析发现SV波输入角度对长大隧道洞身段的地震响应具有较大影响,在实际地震响应分析中应考虑SV波的入射方向。

土-结构相互作用分析中几类地震输入方式的比较

地震作用下土-结构动力相互作用的整体有限元分析需要在人工边界处输入地震动。目前可能采用的地震输入方法包括黏弹性边界自由场输入方法、自由场应力方法、自由场位移方法以及侧边界自由方法。由于采用近似人工边界条件或者未完全考虑地震自由场,上述地震输入方法均为近似方法。本文以大开地铁车站二维有限元分析为例,根据规范建议的边界位置,研究了上述地震输入方法的精度,研究成果可为土-结构相互作用分析的合理地震输入提供一定参考。

典型土层场地随机地震反应规律分析

针对硬、中、软3种土层场地,选取历史上实测到的Ⅰ类和Ⅱ类场地的地震动记录各100条,分别调整地震动记录加速度峰值至0.1g、0.2g和0.3g,并采用一维等效线性化方法开展了场地随机地震反应研究,系统分析了地震动峰值加速度、速度和位移反应的变异性规律。主要结论为,位移和速度峰值的变异性随场地土变软而增大;位移和速度峰值变异性较加速度峰值的变异性更为突出;利用50条左右的地震动记录即可获得场地地震反应均值和标准差较为稳定的结果。

软硬复合地层中盘形滚刀冲击载荷预测及影响因素分析

针对掘进机盘形滚刀在软硬复合地层中因受到冲击载荷而损坏的问题,利用科罗拉多矿业学院滚刀受力计算模型推导出楔形滚刀在软硬岩交界处垂直载荷随时间历程的解析表达式,并利用有限元数值模型试验验证其正确性,运用此解析表达式分析了关键因素对盘形滚刀所受冲击载荷的影响。结果表明:在软硬岩交界处滚刀垂直载荷的增长曲线为斜率逐渐增加的递增曲线;滚刀速度、贯入深度和刀间距的增大都会增加对滚刀的冲击破坏,故在软硬复合地层中应采取降低刀盘转速和贯入度等方法减小对盘形滚刀的不良影响。

阶梯地形成层场地的斜入射地震动输入方法

基于黏性边界和地震动斜入射时水平成层场地反应算法,发展了一种阶梯地形成层场地的斜入射地震动输入方法,即两个侧面人工边界处采用各自高度水平成层场地的自由场反应作为输入,底面人工边界处采用入射波场作为输入。由于该方法是近似地震动输入方法,分析了人工边界位置、输入地震动、地震动入射角度、地表斜坡倾角及场地分层特性变化对该方法精度的影响。结果表明,平面SV地震波输入条件下,针对该文研究的各种工况,地表最大位移峰值误差均小于5%,说明提出的斜入射地震动输入方法精度较高,可用于阶梯地形成层场地的地震反应分析。

松动圈对隧道围岩地震动力响应的影响

为了实现对埋深的模拟,考虑振动台的载重量,设计并制作了一套质量较轻的柔性伺服气压加载系统.分别开展了考虑和不考虑松动圈的振动台模型试验,同时建立了相应工况的隧道动力计算数值模型,将试验结果与数值计算结果进行了对比.模型试验数据与数值模拟结果规律较为一致,且反映了松动圈的动力响应影响,表明采用柔性加载来模拟埋深产生的地应力的方法是可行的.结果表明:在一定埋深条件下,隧道结构的自身振动特性表现不明显;松动圈的存在增大了隧道结构和周围岩体的加速度响应,从而使结构破坏程度更为严重;无论有无松动圈,结构整体的动力响应规律相似.松动圈对隧道结构地震动响应的不利影响可以归结为松动圈与围岩交界面发生地震波的折射和反射以及松动圈相比于围岩较软弱,地震时更容易发生局部变形这2个因素.

衬砌厚度对隧道抗震简化解析方法精度的影响

简化解析方法因在隧道初步设计中可快速估算隧道结构的地震内力及变形而得到广泛应用,因此对简化解析方法的使用条件及精度进行评价具有重要的工程意义。本文以拟静力有限元方法的数值模拟结果为标准,对Wang、Park和Bobet等3种经典简化解析方法在隧道不同衬砌厚度条件下的内力预测精度进行了对比验证,并探讨了简化解析方法的误差来源。结果表明:(1)在同一场地条件下,衬砌厚度越大,简化解析方法的内力预测误差越大;(2)经典简化解析方法基于梁模型或壳理论对沿衬砌厚度方向的环向应力进行求解,以及未考虑静水压力作用下产生的弯矩是简化解析方法产生误差的两个重要原因。

地震作用下土-结构相互作用的简化时程分析

基于黏弹性边界和将场地地震反应转化为等效荷载的有限元直接法是目前进行土-结构相互作用分析的常用时程分析方法之一。该方法具有严格的理论基础且计算精度较高,但在商业有限元软件中施加黏弹性边界和由场地反应确定的等效地震荷载时,需要使用者编制程序书写命令流文件。本文建议一种动力时程简化分析模型,即计算模型侧边界采用滚轴或绑定边界、底边界强制自由场反应。首先基于一维等效线性化场地反应分析软件EERA,明确了分别给定岩石地表记录、基岩记录和场地地表记录条件下,正确实现场地反应分析的做法,表明在相同地震下三种分析能够得到相同的场地反应结果;然后给出动力时程简化分析过程;最后通过一层两跨地铁车站的地震分析,表明该方法具有较高精度,满足工程需求。

圆形隧道横断面地震响应简化解析方法的数值验证

简化解析方法因在隧道初步设计中可快速估算隧道结构的地震内力及变形而得到广泛应用,因此对简化解析方法的使用条件及精度进行评价具有重要的工程意义。该文以时域波动有限元方法的数值模拟结果为标准,对Wang、Bobet和Park等3种经典的简化解析方法在不同场地土类别及不同埋深条件下的精度进行了对比验证。结果表明:三种简化解析方法具有相同的轴力预测值,埋深较小时解析解与数值解的误差随着柔度比的增加而逐渐减小,但埋深较大时解析解与数值解的误差随着柔度比的增加先增加后减小;Bobet与Park方法的预测弯矩相同且精度明显优于Wang的方法,其精度随着柔度比的增加而具有逐渐变好的趋势;对于软弱土、中软土、中硬土、坚硬土和岩石等五种类别的场地土,隧道埋深分别大于10 m、5 m、5 m、1 m和1 m时,Bobet与Park方法的轴力与弯矩误差均能小于15%。