断层永久位移预测及断层悬索桥地震响应研究

断层错动诱导的地表破裂永久位移对跨断层桥梁结构会造成严重破坏,准确预测断层错位的永久位移对跨断层桥梁结构抗震性能评估具有重要意义。首先结合反向传播神经网络(BPNN)提出具有较高精度的断层错位量预测模型,然后通过低频成分叠加高频成分方法人工合成断层面两侧地震动(简称跨断层地震动),最后以某主跨为538 m的跨断层大跨钢桁架悬索桥为研究对象,利用有限元软件ABAQUS建立考虑桩−土相互作用(m法)的全桥计算模型,探究断层位置和跨越角度对悬索桥地震响应的影响。结果表明:基于BPNN提出的方法能精确预测断层位错永久位移,对比已有的回归公式具有更高的精度,为人工合成跨断层地震动的准确性提供了保障;断层相对位置会显著影响桥梁结构的地震响应,与近断层地震动作用相比,在跨断层地震动作用下,悬索桥的塔底剪力、弯矩、相对位移以及扭矩响应增加了22.79%、154.1%、139.36%和265.48%;断层跨越角度对悬索桥动力响应影响明显,其响应均以跨越角度θ=90°呈规律对称分布,塔顶纵向位移、塔底纵向弯矩、塔底纵向剪力以及塔底扭矩最大值均出现在θ=90°,分别为0.81 m、282.45 MN∙m、3.96 MN和6.14 MN∙m。研究成果可为跨断层悬索桥抗震分析提供一套简便、可靠的人工地震动合成方法,也揭示了跨越角度和断层位置对跨断层悬索桥地震响应的影响。

考虑永久位移的锚索框架减震锚头弹簧组件合理刚度研究

强震作用下预应力框架锚索可能出现内锚段松脱、锚索拉断等震害,在锚头处设置弹簧是一种新型抗震措施,而弹簧刚度的合理选取对改善锚索受力至关重要。建立在锚头处设置弹簧预应力锚索框架的加固基岩-覆盖层边坡三维数值模型,研究边坡在不同峰值加速度、不同持时地震波作用下响应规律,调整锚索-弹簧串联体系等效刚度大小,分析坡体永久位移和锚索轴力减载比随弹簧刚度的非线性变化特征;以控制边坡位移及锚索减载效果为目标,提出弹簧组件的合理刚度确定方法。研究表明:随弹簧刚度降低,缓冲减震作用逐渐显著;坡顶水平加速度受刚度变化影响较小,但当弹簧刚度低于临界值后边坡位移及弹簧变形量急剧增加;以边坡永久位移实际调查经验限值为首要控制条件,结合位移、弹簧峰值行程随刚度变化拟合“直-曲分界点”曲线,以共同确定弹簧刚度下限;同理,依据减载比拟合曲线轴力削减明显区段得出刚度上限,以保证一定工程经济性。针对算例模型取永久位移10 cm、拟合曲线曲率k小于0.002 k max作为直曲分界判断依据,得0.4 g~0.6g强震下弹簧刚度区间为(2.5,3.8)kN/mm,研究方法可为边坡预应力锚固工程抗震设计提供参考。

考虑地基侧向永久位移的钢筋混凝土框架结构地震反应分析

定量评价场地破坏对建筑物震害的影响是一个亟需解决的难点问题,现阶段结构震害预测以及灾情再现等震害防御技术中多未考虑场地破坏的影响。地基侧向永久位移(变形)是场地破坏的一种典型破坏形式,往往会引起较严重的建(构)筑物震害。采用OpenSees软件构建一个简化的6层2跨钢筋混凝土框架结构模型,通过输入不同强度且含有永久位移的位移时程,模拟地震中地基侧向永久位移对结构震害的影响。分析结果显示:(1)地基侧向永久位移对结构底层的最大层间位移角起控制作用,即使地基产生0.05 m的侧向永久位移,在地震动强度小于0.4g情况下,底层的最大层间位移角远大于地基未发生永久位移的工况;在地震动强度为0.4g时,结构的最大层间位移角发生在第二层,此时地震动强度决定结构的破坏状态;(2)地基发生0.1 m的永久位移时,永久位移对结构的破坏等级起决定性影响,且影响主要体现在底层的层间位移角,对其他楼层破坏等级影响较小;(3)通过简化模型的数值计算,分析地基侧向永久位移对结构震害等级的影响,解释了地震中场地破坏多会加重房屋结构震害的现象。

《活动断层的地震地表永久位移研究》简介

震害调查表明近场的结构破坏不仅由地震动引起,地表破裂或永久位移引起的破坏也占很大比重。近年来的汶川地震、集集地震、昆仑山口地震、土耳其伊兹米特地震等都引起了大规模的地表破裂,其可能对道路、桥梁、隧道、大坝、输油(气)管网、通讯电缆等大型工程造成严重破坏,导致巨大人员伤亡和资产损失。另外,目前各类抗错动构件的实际应用也促使地震地表永久位移与地震动一样,成为工程结构的地震输入。因此,活动断层的地震地表破裂研究已经成为地震工程中关注的焦点课题之一,地表永久位移的分布特征对防震减灾具有十分重要的工程意义和理论价值。

永久位移型地震动对建筑隔震设计影响初探

以自振周期大于2s的某实际钢结构建筑为研究对象,分别在设防地震和罕遇地震下,输入含与不含永久位移型地震动,分别计算得到隔震结构和非隔震结构的非线性地震反应。通过对比含与不含永久位移型地震动作用下的上部结构地震反应,进而分析永久位移对该类型建筑隔震设计的影响。结果表明:无论地震动输入是否含永久位移,与非隔震结构相比,隔震结构的层间剪力和倾覆力矩均显著降低,且降低幅度随着楼层的升高而增大;在含永久位移型地震动与不含永久位移型地震动分别作用下,各楼层层间剪力比值与倾覆力矩比值无明显差别,比值基本在1左右;在两类地震动作用下,计算得到的减震系数差别不超过10%;在两类地震动作用下,隔震层支座平均最大拉、压应力及位移相差不大,永久位移型地震动作用的放大效应不明显。

基于汶川地震强震动记录的边坡永久位移预测模型

边坡的永久位移为边坡工程的抗震设计和坡体稳定性判识提供了可靠的依据。利用汶川地震时记录到的大量强震动记录,建立了基于临界加速度比、Arias强度和地震剩余强度的永久位移预测模型。通过能量法将实测边坡位移转换为无支护结构的边坡永久位移,并利用其检验了模型的有效性。文中提出的3种位移模型与回归数据具有良好的相关性,基于地震剩余强度的模型拟合效果最佳,说明永久位移与地震剩余强度具有强相关性;以临界加速度比为参数的模型简单实用;以Arias强度为参数的模型判定系数和预测精度均较差。研究结果表明,由于记录台站的当地效应,基于强震动记录回归的永久位移模型具有区域相关性。文中提出的模型可为四川及其邻近省份的西部山区区域地震滑坡风险评价、震后滑坡灾势评估以及具体边坡工程地震稳定性的快速预估提供依据。

三维边坡地震永久位移初探

将著名的Newmark有限滑动位移法拓展到三维空间,提出了三维边坡地震永久位移的分析方法。针对潜在滑体,运用三维极限平衡理论确定屈服加速度,借助数值方法获得平均地震加速度,进而依据Newmark的建议计算永久位移量。实例分析表明,该方法计算结果合理;与三维方法相比,二维分析得到的屈服加速度与平均加速度均偏低,永久位移量偏大;偏差量随着滑体长度的增大逐渐减小。

基于剩余推力法的地震滑坡永久位移研究

基于剩余推力法思想 ,结合Newmark有限滑动位移法 ,考虑了由于动力作用造成的孔隙水压力变化 ,对一种最为常见的边坡灾害—滑坡 ,提出了一种简便的估算地震动力永久位移的方法。对一实例用该法和快速拉格朗日元 (FLAC3D)进行对比计算 ,结果表明两者的结果基本接近 ,前者要保守一些。

一种识别永久位移的新方法

分析造成强震加速度记录基线漂移的可能原因,以东日本Mw9.0强震加速度记录为例,由于基线漂移的不确定性以及现有方法在处理日本Mw9.0强震数据的不适用性,提出基于Hermit插值,并以平整度为判别依据确定强震台站永久位移的基线校正方法,参考同震位移的相关数据对比各种方法的基线校正结果,同时选取汶川Ms8.0强震加速度记录进行验证。研究表明:①造成强震加速度记录基线漂移的可能原因比较复杂;②现有基线校正方法通用性不强;③基于Hermit插值的基线校正方法比较合理,拟合精度较高,适用于强震中永久位移的识别。

地震作用下土质边坡永久位移分析的能量方法

边坡的永久位移可以为边坡工程的抗震设计和坡体稳定性判识提供有力的依据,为了提出一种计算永久位移的新方法并使计算结果相对准确,论文基于塑性极限分析的上限定理,推导了潜在滑坡体的正、反向临界加速度,探讨了滑动面倾角和竖向加速度对临界加速度的影响;利用能量守恒原理,建立了地震作用下滑坡体系的能量反应方程,探讨了地震时滑坡体系中能量的传递、转化和耗散过程;定义了边坡的临界输入功率,推导了基于能量法的边坡永久位移计算公式,分析了重力势能降对永久位移的贡献。研究表明:当滑动面倾角较小,且地震加速度较大或坡体自身稳定性较差时,反向位移不容忽略;考虑竖向加速度后临界加速度成为一个随时间变化的临界加速度时程;全面考虑正、反向临界加速度和竖向加速度的影响,可使永久位移的计算结果相对准确;地震对滑坡主要产生触发作用,边坡的永久位移量主要由重力势能降决定。

城市垃圾填埋场地震稳定分析及永久位移计算

根据城市生活垃圾室内外试验结果 ,提出了确定浸润线自由面的方法 .通过静力和动力有限元计算 ,对某填埋场边坡进行稳定分析 ,给出了在地震过程中每一小时段的稳定安全系数 .结果表明 ,在地震过程中 ,最危险滑动面的位置比较稳定 ;在此基础上 ,对 Newmark方法进行了改进 ,使之建立在比较“精确”的基础上 ,得到了填埋场在地震作用下的永久位移 ,对填埋场的抗震设计具有重要的指导意义 .

近远场地震下高陡边坡的动力响应及永久位移分析

基于软硬互层边坡的有限元模型,研究了边坡在近远场地震作用下的动力响应规律,得出远场地震对边坡动力响应(动力放大系数、最大剪应力和最大主应力)的影响总体比近场地震显著;通过将时程分析法与规范中的拟静力法计算的安全系数进行对比,明确了拟静力法在地震动力稳定性评价中的不足;基于有限元时程分析法计算出的边坡临界加速度代入Newmark滑块位移法公式中,得到了考虑地震近远场特性影响的边坡永久位移,并与弹塑性有限元数值模拟结果进行了对比,得出Newmark法计算结果偏小,且远场地震作用下的永久位移比近场地震作用下分别增大35%(Newmark法)和21%(弹塑性有限元法);最后基于Jibson and Michae提出的边坡稳定性评价的永久位移量进行了边坡的稳定性评价,得出以永久位移1 cm作为岩质边坡从一个轻度破坏到中度破坏程度的评价临界值较为合理。

基于第四代地震区划的跨越发震断层永久位移概率分析方法

本文主要借鉴了Lee(2007)和Youngs(2003)提出的地表永久位移估计方法,联合中国第四代地震区划图的潜在震源区参数,给出了适合中国跨越发震断层永久位移概率分析方法。震害调查表明,近场的结构破坏不仅是地震动引起的,地震地表的破裂或永久位移引起的破坏也占很大比重。应用与概率估计地震动相似的方法,给出不同概率水准的地震地表永久位移,使之服务于穿越地震发震断层管线、桥梁工程的抗震设防,采取有效的抗御永久地表位移措施,减小地震灾害带来的损失。

超前支护桩加固高切坡的静动力响应与永久位移预测研究

在西部山区的城镇化建设中,常因土地资源稀缺而不得不利用坡地资源。然而如果不当切坡,就可能引发其失稳滑塌,给工程建设和人民生命财产造成重大危害。为此,以极限分析的上限定理为手段,分析了不同切坡方式和不同土体抗剪强度对高切坡稳定性的影响。并基于超前支护理论,研究了危险高切坡的超前支护方案,给出了超前支护桩的抗力荷载的计算方法。最后,在考虑有地震荷载作用的条件下,分析了高切坡超前支护体系发生永久位移的临界加速度条件和永久位移大小,最终为高切坡超前诊断与支护设计提供一个完备的解决方案。

考虑动态临界加速度的地震边坡永久位移预测模型研究

在区域边坡地震危险性评价中主要采用永久位移预测模型进行地震边坡永久位移计算。永久位移预测模型以Newmark滑块理论为基础,通过大量实测地震时程记录统计拟合得出。针对Newmark理论中滑动面抗剪强度参数保持不变和已有位移预测模型的计算位移小于实测位移的问题,利用动态临界加速度理论,分别构建含有峰值加速度和阿里亚斯强度的两种位移预测模型。对该模型计算出的永久位移合理性进行讨论,发现永久位移计算结果符合滑坡实测位移的数量级。采用本文模型计算的永久位移更加接近地震滑坡位移实际大小,可以解决一直存在的预测位移小于实测位移的问题。在更进一步讨论发展的基础上,本文模型可满足更多的理论应用和工程实际,为区域边坡地震危险性评价提供思路。

考虑动态临界加速度的地震边坡永久位移研究

Newmark永久位移是评价边坡在地震时稳定性的一个重要指标,近年来广泛应用于地震边坡危险性评价中。传统Newmark永久位移法在计算临界加速度时假定其为常数,未考虑滑动面上抗剪强度参数的变化,过低估计了边坡的永久位移。为了解决这一问题,本文从岩土结构理论获得思路,详细分析滑块底面抗剪强度参数在地震中的变化过程,以边坡震动过程中黏聚力逐步丧失为基本思路,在黏聚力符合一定概率分布的基础上,提出了一种利用蒙特卡罗法模拟其动态减小过程从而实现临界加速度动态变化的计算方法。经过算例计算,黏聚力和临界加速度体现了地震过程中边坡滑块黏聚力和临界加速度的动态变化,位移大小符合地震边坡实际位移的常规数值。本文提出的蒙特卡罗法实现动态黏聚力和动态临界加速度的计算过程与地震时程相对应,不仅在一定程度上解决了抗剪强度参数的动态变化问题,还解决了传统Newmark位移计算中永久位移比实际位移偏小的问题。

悬臂式抗滑桩加固黏土边坡地震永久位移算法

为了有效地确定悬臂式抗滑桩加固的黏土边坡地震永久位移,基于极限分析上限定理,针对圆弧滑动式土坡破坏模式,通过对设置抗滑桩条件下土坡进行外力功率和内能耗散率的计算,按严格力学定义推导出坡体在地震作用下的安全系数,进而导出与安全系数相对应的边坡地震屈服加速度计算公式,并结合Newmark滑块位移法对边坡产生的转动加速度进行二次积分,推导出与边坡设计安全系数密切相关的坡体地震永久位移的详细计算公式。以5.12汶川地震卧龙测站东向地震波为例,通过对一算例边坡进行分析,给出了边坡永久位移时程曲线以及不同设计安全系数与永久位移的关系,分析了算法与Ambraseys算法的结果,验证了所提计算方法的有效性,并得到不同设计安全系数时边坡土体黏聚力和内摩擦角对坡体永久位移的影响规律。研究结果表明,坡体永久位移随着设计安全系数的增加逐渐呈指数函数式减小变化,在较低设计安全系数下,坡体永久位移受土体抗剪强度参数影响较为敏感,随着设计安全系数的提高,这种敏感性则逐渐降低。

地震作用下滑坡永久位移预测

在地震区滑坡防治结构的抗震设计中,滑坡体自身的稳定安全性可利用其地震作用下产生的永久位移直接判断,可见对其地震永久变形的预测至关重要。因此,以极限分析上限定理为基础,分别针对平移式和旋转式两种滑坡滑移形式,推导出这两种滑移形式下滑坡体产生永久位移的临界加速度,考虑地震输入能量及结构能量耗散之间的平衡关系并建立预测地震作用下滑坡永久位移的计算方法。最后,通过算例表明其合理性。

发震断层的永久位移概率评估方法

基于Cornell地表地震动的概率方法,提出发震断层未来地震引起地表永久位移的概率分析方法,其中断层模型、地震发生模型、震级与破裂面的长度、宽度、地表位移之间关系的参数采用物探结果、震源运动学反演、历史地震资料、现场考察及测年确定。主要技术有2点:(1)概率分析场点地震动是场点周围断层所有潜在地震的贡献,而场点的地表永久位移仅是该断层的贡献;(2)场点所在断层发生的所有地震对场点的地震动均有贡献,而场点所在断层发生的少数地震才能对场点永久位移有贡献。应用提出的方法,结合海原断裂地震地质资料和地震活动性资料,给出2种特征地震模型下的不同概率水准的地震地表永久位移。发震断层不同概率水准下的地表永久位移评估为穿越断层的管线和桥梁工程提供基础数据,以便采取合理的抵抗永久地表位移措施,减小地震灾害带来的损失。

发震断层附近场点的最大永久位移估计

借鉴Lee等提出的发震断层引起的地表最大永久位移估计方法,结合中国第四代地震区划图的潜在震源区参数、断层模型及地震危险性分析方法,本文提出了发震断层附近最大永久位移场的估计方法.以大岗山水电站工程为例,结合工程场点所在区域的地震危险性分析及距离场点最近的发震断层-磨西断裂地震地质资料和地震活动性资料,计算了不同概率水准所对应的设定地震下的地表最大永久位移.与《建筑抗震设计规范》和《水工建筑物抗震设计规范》要求地震动概率水准一样,发震断层附近场点不同概率水准下的地表永久位移评估为水坝等工程提供了基础数据,以便采取合理的抵抗永久地表位移措施,以减小地震灾害带来的损失.