主余震作用下地下结构增量损伤与抗震性能分析

强震过后短时间内发生的余震会对主震损伤结构产生重要影响,目前针对地下结构抗震性能的研究多是基于单次主震作用,对余震作用的认识有待进一步提高。为研究主余震作用下地下结构的性能劣化及增量损伤,以2层3跨地铁车站为原型建立土-地下结构相互作用模型,选取14次真实地震中的85组天然主震记录和对应的主余震序列为输入,对比研究了地下结构的地震响应特征。结果表明:考虑主余震作用时地下结构的地震损伤程度一般要比仅考虑主震作用时严重,但其增量幅度及扩展范围与主余震序列峰值加速度比ξ、地震动特性和主余震“极性”等因素有关;由于地下结构的损伤累计效应,在相近主余震峰值强度作用下(ξ≈1.0),地铁车站在余震时的层间位移反应较主震更大;当主震与余震的峰值加速度相差较大时(ξ≥1.4),余震对结构造成的附加损伤十分有限。

主余震序列作用下非线性单自由度体系的增量损伤分析

同时采用真实主余震序列和人工构造主余震序列作为输入,开展了非线性单自由度体系在主余震序列作用下的增量损伤分析。挑选75组真实主余震序列,并基于相同的主震记录,分别采用重复法、随机法和衰减法构造不同的人工主余震序列作为输入。分别采用理想弹塑性模型、考虑屈服后刚度的双线型模型和三线型模型,开展主余震序列作用下非线性单自由度体系的反应分析。以修正的Park-Ang损伤指数作为结构损伤指标,对主余震序列作用下的结构增量损伤进行研究,并对强度折减系数、恢复力模型及主余震序列人工构造方法对增量损伤的影响进行研究。结果表明:余震造成的结构增量损伤不可忽视。基于重复法和随机法合成的人工主余震序列相比真实主余震序列的余震强度偏大,因此会高估余震对结构造成的增量损伤。基于衰减法合成的人工主余震序列的余震强度偏小,会低估余震对结构造成的增量损伤。结构特性对增量损伤的影响很小,体现为不同强度折减系数及不同恢复力模型对结构增量损伤的影响均不明显。

主余震序列作用下结构增量损伤比研究

该文以非线性单自由度体系为研究对象,挑选了662条真实主余震序列作为地震动输入,采用Park和Ang提出的损伤指数作为结构损伤指标,对主余震序列作用下的结构主震损伤、余震增量损伤和主余震累积损伤在结构全周期范围内进行了分析。提出了增量损伤比参数(余震增量损伤/主震损伤),开展了增量损伤比与主余震强度比(余震强度/主震强度)的相关性分析,建立了以结构周期与主余震强度比为参数的增量损伤比预测模型,并对模型的预测精度及其受滞回模型的影响进行了讨论。结果表明:增量损伤比与主余震强度比之间存在较高的对数线性相关性,该文提出的增量损伤比预测模型精度较高,滞回模型对增量损伤比预测模型的精度影响较大。

主-余震序列作用下隧道结构增量损伤研究

强震作用后通常伴随多次余震,而余震作用可能会进一步加剧结构损坏或倒塌的风险。以强震区不同地层条件下的隧道结构为对象,对比分析了主-余震序列作用下软土地层和岩石地层中隧道结构非线性动力响应的差异性,并基于定义的余震地震动强度指标,探究了余震对隧道结构增量损伤的影响规律。首先,从COSMOS强震数据库中选取了6组真实的主余震序列记录,选定5个主震-余震峰值加速度的比值作为控制指标,从而构建了30条主震-余震序列作为输入地震动;其次,建立了地层-结构有限元动力分析模型,分别对软土和岩石地层中的隧道结构开展非线性动力时程分析,依据定义的隧道衬砌损伤体积比指标,计算得到了主震-余震序列作用下隧道结构的增量损伤指数;最后,分析了不同地层条件对隧道结构增量损伤的影响规律,并讨论了地表峰值加速度(PGA)和Arias强度(Ia)与余震引起的结构增量损伤之间的相关性。结果表明:余震引起的增量损伤随着主余震相对强度比的增大而增大;当地层条件分别为软土和岩石地层而隧道结构形式不变时,软土地层中的隧道结构在主震-余震序列作用下的增量损伤会更大;余震引起的增量损伤与Ia的相关性比PGA更强,因此采用余震的Ia能够更好地预测隧道结构在余震作用下产生的损伤程度。

主余震序列型地震动的增量损伤谱研究

为定量评估余震对主震损伤结构所造成的二次损伤,该文对主余震序列型地震动的增量损伤谱进行了研究。挑选533条真实主余震序列作为输入,采用Park-Ang(1985)损伤指数定义地震损伤,通过计算结构在主震和主余震序列作用下的损伤差值,定量评价余震对结构所造成的增量损伤。研究结果表明:余震对主震损伤结构所造成的增量损伤的变异性较强。某些主余震序列会对结构造成非常显著的增量损伤,而某些主余震序列却不会对结构造成明显的增量损伤。相比于短周期结构,中长周期结构在主余震序列作用下的增量损伤更大。若主震卓越周期高于余震卓越周期,则该主余震序列可视为不利主余震序列,对结构可能造成较大增量损伤。

受力岩石密度损伤增量及其数字图像

用 CT图像定量分析岩石受力损伤破坏过程的难点 ,是难以知道岩石内部的绝对密度变化量。提出了密度损伤增量的新概念 ,推出了 CT数与密度损伤增量的定量关系式 ,并把 CT图像转换成密度损伤增量图像。通过与基于灰度变化的传统的 CT图像分析方法比较 ,说明密度损伤增量图像的优越性在于不仅可定量分析受力岩石的损伤破坏过程 。

膨胀土损伤增量规律试验研究

进行了原状膨胀土浸水及不浸水的三轴剪切试验过程的CT扫描。提出了密度损伤增量、空隙损伤增量和总损伤增量的概念。发现在剪切过程中随着轴向位移的增大,对于干土样,密度损伤增量开始缓慢地增大,当达到峰值强度后,密度损伤增量开始迅速减小;孔隙体积在一直增大,裂隙在不断扩展;膨胀土的总损伤增量随着剪切位移的增大开始有微小的增量,但是峰值强度过后,开始大幅度的减小,说明开始时,密度损伤增量占优势,且试样被压密,后来孔隙的发展占优势,直接导致膨胀土的破坏。对于湿样,密度损伤增量随加水量的增大呈先增加后减少的变化,空隙损伤增量随加水量的增加而增加,总损伤增量随加水量的增加呈先增加后减少变化趋势,说明后期膨胀占优势,最终导致试样的破坏。

岩石CT密度损伤增量图像“阴阳环”现象的形成机制及其配准校正

通过对岩石试样在加载前后测得的CT数作差值运算,可获得岩石试样在不同应力阶段的CT密度损伤增量。在岩石CT密度损伤增量灰度图像中,试样边界被分成两半,其中一半为黑色,另一半为白色,这一现象称之为“阴阳环”现象。为揭示这一现象的形成机制,对岩石试样某一扫描断面在4个不同应力阶段CT图像的CT数分布进行对比研究。分析结果表明,加载阶段的CT图像相对初始CT图像发生错位。为查清图像错位与“阴阳环”形成之间的关系,建立“阴阳环”生成模型,同时揭示图像错位产生“阴阳环”现象的物理机制。在此基础上,对加载阶段的CT图像进行配准校正,消除密度损伤增量的计算误差。

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。

压缩条件下岩石密度损伤增量的CT动态观测

采用医用计算机层析(CT)设备与其配套的三轴压力仪,对压缩条件下岩石细观损伤过程进行了动态观测。以CT数为基础定义了岩石密度损伤增量,提出了CT数与岩石密度损伤增量的定量关系式。采用CT图像分析了岩石细观损伤过程;利用提出的岩石密度损伤增量定量地分析了峰值强度前的裂纹萌生、扩展、连通的细观损伤演化规律。发现岩石在峰值强度前普遍经历压密和扩容两个阶段,不同层位或同一层位的不同部位损伤具有明显的差异性,即在同一应力作用下各部位的压密程度和扩容状态是不同的。密度损伤增量异常带是微裂纹萌生带,在密度损伤增量与应力关系曲线上的拐点是岩石局部破坏的起始点。

列车动荷载长期作用下圆形隧道衬砌损伤分布特征及演化规律研究

为研究隧道衬砌车致损伤分布特征及演化规律,该文采用规范推荐的混凝土单轴拉压本构关系推导了复杂应力条件下增量损伤本构关系,并基于此本构模型实现了ANSYS标准计算流程的二次开发。通过与单轴拉压试验结果对比验证了计算的可靠性。建立了地铁圆形隧道-地层耦合动力有限元模型,基于改进的Miner累积损伤理论,研究了列车动荷载长期作用下衬砌结构的损伤分布、动力响应、损伤增量及累积损伤演化规律。结果表明:衬砌长期车致损伤关于隧道中心线对称,主要分布于仰拱结构,分布角约120°;列车荷载作用点下方衬砌结构中出现两个损伤集中区,其损伤幅值较其他区域大;随累积运行次数的增加,损伤集中区内车致动应力幅值减小约83%,动应变幅值增大约150%;损伤增量与累积损伤均随列车累积运行次数增加而增大,且呈非线性关系;采用改进的Miner累积损伤理论可提高预测隧道结构疲劳寿命的准确性。

岩石细观损伤过程的CT动态观测

采用宏观轴向应力与密度损伤增量结合分析岩石细观损伤演化过程。根据 CT图像可以求得岩石损伤过程中任意应力阶段任意区域岩石密度损伤增量 ,首次将任意区域岩石压密和扩容定量化。岩石密度损伤增量不仅可以反映岩石损伤程度 ,而且可以描述岩石损伤演化过程。进一步讨论表明 ,岩石密度损伤增量场能圆满地刻画岩石细观损伤状态和岩石细观损伤过程。

人工主余震作用下桥墩结构损伤预测评估分析

主余震作用下,断层距(RJB)和余震次数的不同对结构造成的损伤也大不相同,进行主余震序列下桥梁损伤评估时需要考虑断层距、余震次数等影响因素。基于OpenSees平台,以一座连续梁桥为例,根据人工主余震构造时不同的影响因素,选用余震衰减和PGA调幅的人工主余震构造法构造主余震序列进行结构损伤分析,并与实际主余震事件的损伤结果作对比,研究人工构造主余震序列预测结构损伤的可行性。结果表明:基于PGA调幅构造主余震的方法,当考虑余震衰减时,能够较好模拟出结构在实际主余震地震作用下造成的最终损伤,能够较合理的预测结构在实际主余震序列中的损伤指标;对区域主余震作用下的桥梁进行损伤评估时,需要考虑断层距和余震次数影响因素,桥梁距断层距RJB越近时结构的损伤状态越严重,余震发生次数越多则结构的损伤增量就越大,并且结构在人工主余震作用下RJB越大的地方,结构损伤增量误差程度越小,预测的损伤状态就越接近实际的损伤状态。

土方开挖粘塑性模糊随机损伤机理研究

以基坑工程为例分析了开挖损伤演变的模糊随机性并建立了广义非确定性空间O:ξ(s,f)。提出了初始损伤有效张量的概念模型,在"损伤源汇"概念基础上提出了模糊衰减模型,构造了粘塑性模糊随机损伤增量方程并实现了基坑开挖过程的模糊随机损伤模拟。在线性算子基础上提出了模糊随机损伤矢量极限值{Ωu},进而建立了以损伤有效张量为基础的粘塑性模糊随机损伤本构模型及粘塑性非线性模糊随机数值方法。在粘塑性模糊随机损伤有限元基础上建立了粘塑性模糊随机损伤变化率方程,实现了对基坑开挖过程中模糊随机损伤演变发展的全面模拟,完成了模糊随机卸荷损伤模型的构建。

隧道爆破震动对新喷混凝土的累积损伤计算

为减少隧道爆破震动对初衬喷射混凝土的损伤,通过现场质点震速监测和信号分析,根据爆破动力学理论,探讨混凝土龄期对累积损伤的影响。综合考虑质点震速、初始损伤、混凝土强度和龄期等因素,提出单次爆破对混凝土的损伤增量及多次爆破对混凝土的累积损伤的计算方法。研究结果表明:混凝土的破坏是一个损伤的累积过程,单次爆破的损伤增量超过增量阈值并不一定造成材料的破坏;在混凝土中掺入早强剂有显著减震效果。将该方法应用于工程实例,提出新喷混凝土的爆破安全准则。

主余震序列作用下钢筋混凝土框架结构的易损性分析及安全评估

余震将给主震损伤结构造成"二次损伤",威胁结构的地震安全。鉴于此,该文基于传统地震易损性理论,分别采用真实主余震序列和人工构造主余震序列作为地震输入,选择一栋按我国规范设计的5层钢筋混凝土框架结构作为研究对象,对主余震序列作用下的结构易损性进行研究。基于结构在主余震序列作用下的易损性结果,分别计算结构在不同危险性水平的主余震序列作用下的极限状态失效概率、破坏状态失效概率和易损性指数,评估结构在主余震序列作用下的地震安全。分析结果表明:主余震序列作用下的结构易损性要高于主震单独作用下的结构易损性。人工构造主余震序列要比真实主余震序列对结构造成更大的易损性。在真实和人工主余震序列中,基于重复法构造的人工主余震序列对结构的潜在破坏能力最强,而基于衰减法构造的人工主余震序列与真实主余震序列对结构的潜在破坏能力较为接近。

CT技术应用于岩石实验动态观测的新进展

首先分析了岩石实验的ＣＴ动态观测现状，提出了密度损伤增量新概念．从理论上推导出ＣＴ 数Ｈ与密度损伤增量的定量关系，应用密度损伤增量定量分析图像特征，并与基于灰度变化的传统 的ＣＴ图像分析方法作了对比，说明密度损伤增量的优越性在于物理含义明确，可以定量刻划岩石 任意应力状态、任意位置的损伤程度．借助于ＣＴ技术，密度损伤增量的量测得到实现，从而真实地

低应变率下岩石内部裂纹演化的X射线CT方法

X射线CT方法研究发现单轴压缩条件下岩石经历压密、扩容、CT尺度裂纹演化和破坏过程4个阶段。这表明低应变率条件下岩石的变形破坏过程的细观机制主要表现为裂纹成核、萌生、扩展、贯通过程。CT图像分析和密度损伤增量分析是X射线CT方法的两种手段。CT图像分析可以获得裂纹宽度、长度、方位等定量化参数。密度损伤增量分析可以获得密度损伤增量图像和岩石试件内部任意应力状态、任意部位的密度损伤值。在CT尺度裂纹演化和破坏阶段,由于岩石损伤高度局部化,声发射率参数不能精确反映岩石破坏的细观机制。

岩石单轴与三轴CT尺度裂纹演化过程观测

结合使用专用三轴压力仪与CT扫描仪,对砂岩和粉砂岩分别进行压缩试验并获得了系列CT图像。发现单轴压缩和三轴压缩时岩石试件均经历压密、扩容、CT尺度裂纹萌生、扩展、扩张、贯通和岩石宏观破坏阶段。在压密阶段和扩容阶段,CT图像无明显变化。采用密度损伤增量定量描述细观裂纹演化的集合效应。在CT尺度裂纹演化阶段,从CT图像出发描述裂纹的空间位置、形态、运动方向分析CT尺度裂纹演化对于岩石变形和强度的影响。裂纹模式图可揭示CT裂纹演化的规律。CT裂纹演化的基本特点是扩展与扩张的交替性。三轴条件下CT裂纹与主应力夹角较大,裂纹面较平直,裂纹扩张困难,呈现剪切破坏特点。

CT图像中裂纹缺陷的理论分析

由于易受到其它因素的影响,用CT图像直接分析材料服役过程中损伤状态的变化往往比较困难。本文从混合体的质量衰减系数的计算角度出发,分析了质量衰减系数的计算原理,得到了它的另一个等价表示;并推导出材料服役环境下,只包含单杂质的情况时,微裂纹群的出现所带来的裂纹缺陷体积百分数、密度变化与CT图像值之间的关系式,最后得到了裂纹缺陷体积百分数与损伤变量的关系式,为后期利用CT进行材料疲劳寿命分析奠定了理论基础。