地下结构地震响应分析的高效混合模拟方法

数值模拟是地下结构抗震分析的重要手段之一,然而地震动输入及边界效应、模型尺度规模等因素均会影响数值模拟的计算精度和效率,并且存在计算尺度、计算时间、计算精度之间的矛盾,因此如何高效、精确地模拟地下结构与地层相互作用体系的地震响应仍是亟待解决的关键问题。基于区域缩减法(DRM)将边界元和有限元相融合的核心思想,旨在建立能够合理模拟地下结构-地层系统地震响应特征的高效混合分析方法。首先将地下结构-地层整体模型划分为近场地层-结构内域子模型和远场地层外域子模型,通过构造重合节点保证内域-外域耦合边界处的位移连续性;其次,基于边界元求解外域自由场或地形影响下的非自由场地震动特征,并采用DRM构造矩阵方程将外域动力响应转化为等效地震荷载,可以在保证地震动合理输入的前提下极大地缩减外域模型尺寸,进而实现对内域中地下结构地震响应的快速参数化分析;最后,设计了两组典型算例以检验该方法的可靠性和高效性。结果表明:对于无地形影响下的双线隧道地震响应模拟,通过与远置边界参考解对比验证了方法的有效性;对于受地形条件影响下的双线隧道地震响应模拟,本方法在保证精度要求的基础上极大缩减了包括地形在内的外域模型范围,相比远置边界法和传统黏弹性法,可使计算模型尺度分别缩减97%和83%,计算时间减少72%和58%。此外,该方法还可推广到斜入射地震动作用下地下结构的动力响应分析。

基于虚拟传感器的坝区多输出自由场地震时程长序列预测模型研究

坝区自由场地震时程的多维长时序预测对于震害快速分析具有重要意义。虚拟传感器是地震物理传感器的补充感知手段,可实现地震时程的预测,然而现有虚拟传感器难以对多个信号做长时序预测,导致大坝震害分析较为滞后。针对上述问题,提出基于TFA-Seq2Seq虚拟传感器的坝区多输出自由场地震时程长序列预测模型。其中,基于多任务学习将Seq2Seq的虚拟传感器改进为“Encoder-3 Decoder”结构,以建立多个坝体物理传感器信号与自由场三个方向长时序地震时程的映射关系,并添加注意力机制捕获多个输入信号的时序依赖关系,以解决同步多输出预测问题及提升预测精度。进一步,引入可逆的时频变换层和其逆变换层改进编码器和解码器,以缩短地震信号的时域长度,提取频域特征,并提出对应的随机强制学习的模型训练策略,从而克服了现有虚拟传感器难以对长序列进行有效预测的缺陷。案例分析表明,该方法实现了坝区自由场三个方向地震信号的超前10 s虚拟感知,且相较于未添加注意力机制和单输出的模型,预测精度分别提高了6.88%和3.32%,研究为震时地震信息的超前感知提供了新思路和新途径。

地震波斜入射下水平成层覆盖层地基波动输入研究

覆盖层具有土体动力非线性和结构成层特征,地震波斜入射下覆盖层地基自由场计算难度增大、人工边界吸能能力受到限制,制约了地震波动输入精度和应用。以水平成层覆盖层为研究对象,引入势函数理论,构建了地震波斜入射下顶层幅值矩阵与任意层幅值矩阵之间的动态传递关系,获得土体时域应变;基于二维应变状态理论,采用等效线性化法反映土体动力非线性,建立了地震波斜入射下非线性水平成层覆盖层地基自由场解析计算方法。利用作者发展的非线性黏弹性人工边界单元模拟远域辐射阻尼效应,近场波动分析中边界单元参数随内层土体单元动剪应变变化,边界单元吸能能力达到最优。结合解析自由场转换得到的等效输入荷载,建立了适用于地震波斜入射下非线性水平成层覆盖层地基地震波动输入方法。该方法能够依据深部斜入射波和地表地震动实现覆盖层地基波动输入,依据地表地震动实现波动输入是避免了通过基底地震动正演自由场等过程。研究了弹性水平双层和非线性水平多层覆盖层地基地震响应,结果表明,波动输入计算获得位移和应力均与解析解有较高拟合度,计算精度高,可为水平成层覆盖层地基上土石坝地震响应研究提供基础。

热效应作用下S波入射弹性地基自由场地地震响应研究

基于热弹性介质中波的传播理论,建立了平面S波入射下弹性地基自由场地模型,采用亥姆霍兹矢量分解原理,对热效应作用下弹性地基自由场地中的波场进行分析,获得了热效应作用下平面S波入射弹性地基自由场地地震地面运动的解析解答。通过数值计算,分析了热传导系数、介质温度、热膨胀系数等热物性参数对弹性地基自由场地地震地面运动所产生的影响规律。研究结果表明:考虑热效应和不考虑热效应的两种理论模型下所得到的水平和竖向位移放大系数有着明显差异;地表水平和竖向位移放大系数以及相应的加速度随着热膨胀系数和介质温度的增大而增大;热传导系数和热通量相位延迟对地表位移放大系数和加速度的影响较小;随着入射波频率的增大,地表位移放大系数和加速度均逐渐增大。

自由场位移修正值R在地下结构抗震设计中的应用

地下结构抗震设计中,土和结构之间的相对位移普遍采用反应位移法和非线性动力时程分析法。但是反应位移法参数过多、求解过程繁琐,非线性动力时程分析法耗时较长,不利于设计工作者快速得到可靠设计参数。本文基于地铁结构抗震设计的案例,在传统设计方法之外,研究了一种简便计算方法,即通过自由场位移修正值R快速准确地计算出土和结构之间的相对位移,并将该方法与传统方法进行了对比,发现计算结果较接近,为地下结构的抗震设计提供了参考。

考虑多维地震动及重力作用的土层场地地震反应分析模型

合理有效的工程场地自由场分析是开展地下结构地震反应计算、发展地下结构实用抗震分析方法的前提。目前常用的自由场分析方法多局限于单向地震动输入,难以考虑多向地震动共同作用时的非线性耦合效应。鉴于此,提出一种考虑水平和竖向地震动及重力荷载共同作用的土层地震反应分析力学模型,该模型采用捆绑约束条件作为侧面边界条件,采用基于黏性边界的地震动输入方法将输入地震动转化为等效地震荷载,可实现自由场计算中水平和竖向地震动以及重力荷载的同时施加,简化了计算步骤,减少了计算成本。此外,该方法考虑了水平和竖向地震荷载的叠加效应,对于考虑材料非线性及大变形影响的土层场地地震反应分析具有更为良好的计算精度与适用性。

上海软土自由场地的三维地震响应分析

建立了上海软土的三维动力分析模型,其中基于上海典型软土土层动力试验数据,建议采用Davidenkov模型描述上海软土的非线性动力特性,研究了上海软土的地震响应规律。计算表明:(1)从土体底部到表面,地震波的高频成分减少,低频成分增加;(2)软土并非总是放大地震响应,而取决于软土与地震波的特性;(3)在进行自由场地震分析时,将其简化为平面应变问题考虑是可行的;(4)软土动剪切模量与动剪应变关系的计算曲线与试验曲线吻合较好,表明采用本文推荐的模型考虑软土的非线性特性是合理的。本文的研究成果可为软土地区工程的抗震设计提供参考。

基于饱和多孔介质的复杂自由场地震响应分析

采用不可压缩饱和多孔介质的广义Biot理论模型,导出流体饱和两相多孔介质振动问题的有限元方程,并对港珠澳工程沉管隧道段自由场进行数值模拟计算.计算结果表明,相对于传统的单相介质自由场而言,饱和两相多孔介质自由场地表加速度峰值有所降低;实际场地的地形地貌对孔隙水压力有显著影响;多孔材料的渗透系数增大,可能会导致其孔隙水压力降低;同时输入地震作用的大小也会影响场地地震液化的评估.由此可见,基于不可压缩饱和多孔介质的数值模拟方法在场地地震液化分析中可行,其结论可以应用在其他工程场地分析中.

地震荷载作用下水泥搅拌桩的动力响应

将Ｇａｚｅｔａｓ的动力Ｗｉｎｋｌｅｒ模型应用于水泥搅拌桩复合地基的抗震分析，并将该地基模型推广到更加符合于工程实际的双层地基。文中详细探讨了软土地基剪切波速、软土层厚度及地震频率对水泥搅拌桩单桩最大弯矩的影响，给出了桩顶铰接时桩顶力的动相互作用系数。在计算群桩效应时根据柔性桩的特性，将Ｇａｚｅｔａｓ所用的方法做了进一步简化。本文为研究“浮桩”基础（如油罐地基等）提供了一个初步的分析方法，尤其对水泥搅拌桩复合地基抗震设计有指导意义。

自由场地土体非线性地震响应研究

为了开展地下结构地震时安全性评估,有必要准确了解场地土体的非线性地震响应特点和规律。基于经典的SHAKE程序,建立4种地基土体的计算模型,探讨实际分层土体、等效匀质单层土体、线性与非线性地震响应以及不同地震荷载等因素对自由场地土体地震响应的影响。分析表明:土体的线性和非线性地震响应的差别显著,而且分层土与等效匀质单层土的动力特性有较大差别,实际计算分析时不可简单地将实际分层土体简化为等效匀质单层土体。

深圳老街地铁车站自由场地地震动力特性数值分析

目的探讨场地类别差异对峰值加速度和反应谱卓越平台值的影响.方法建立深圳某地铁车站自由场地动力有限元数值模型,采用Lanczos特征值法提取自然频率与振型,通过Newmark逐步积分方法,求解考虑几何和材料非线性的动力平衡方程,并在此基础上,针对地震力作用下自由场地,进行了动力固有特性和动力响应时程分析.结果该场地在以淤泥质土、砂质黏土为主软土层内,频宽变窄,极值谱幅增大,6Hz以上高频成分谱值显著减弱,频谱分布呈现典型的软土双峰特征;在以粗砂、人工填土为主的土层双峰特征变弱,卓越平台幅值增大.结论该自由场地地震动频谱和加速度谱呈现出低频放大、高频过滤典型中软场地地震动特征.

三维不规则地形河谷场地地震响应分析方法研究

本文提出了不规则地形地震响应分析的自由场计算方法,并以小湾拱坝场址作为三维场地模型,比较了三维不规则场地侧边界自由场的精确解和近似解;同时,采用大型有限元软件Ansys/Ls-Dyna计算了自由场对场地内部场点地震响应的影响。计算结果表明,三维场地模型的二维自由场近似解与精确解有很大差异,其结果对三维场地内部场点地震响应影响显著,因此,要准确求解三维不规则地形的地震响应必须采用真实的二维侧边界模型。

地震波斜入射情形下水平成层半空间自由场的时域计算

在应用有限元模拟地震工程中的波动散射问题时,为了计算边界节点的运动和实现波动能量的输入,必须首先确定边界节点的内行波场即背景水平成层半空间的自由场。利用显式有限差分法的内节点位移计算公式和基于水平成层介质波动传播特点建立的相邻节点间自由场运动的关系式,给出了计算水平成层半空间自由场的时域方程(以入射侧边界节点为例)。本方法是显式有限元意义上的数值精确解,可应用于近场波动数值模拟中内行波场与散射波场的时域同步模拟。

斜入射出平面自由波场勒让德谱元时域模拟方法

远场地震作用下的复杂场地(复杂场地-城市建筑群耦合)地震响应时域分析需在计算截断边界给定自由平面波场输入。为规避边界节点时程存储带来的内存浪费和频繁读写导致并行计算效率低下等问题,有必要构建与地震响应时域分析相匹配的自由平面波场时域模拟方案。面向基于勒让德谱元的复杂场地时域分析方法,以出平面波动为例,构建斜入射自由平面波场时域模拟方案。首先,给出平面波输入下自由波场计算问题的构建,基于勒让德谱元和显式积分格式建立了时空解耦离散方案,并利用解析算例验证了离散方案的精度与稳定性。其次,将该方案应用于四川、加州层状地下介质构造,对比了两个区域内地震波地壳放大效应的差异。结果表明:二者放大效应在中低频段存在系统性差异,在高频段趋于一致,定性解释了基于全球第二代地震动衰减关系预测汶川地震主震记录中长周期反应谱存在显著偏差的原因。最后,以地震动地形效应分析为例,阐述该方案与勒让德谱元、透射边界条件结合在近场外源波动问题模拟中的应用。

覆盖层上土石坝非线性动力响应分析的地震波动输入方法

较多已建和待建的土石坝直接修筑于覆盖层上,合理描述土石坝与覆盖层之间的动力相互作用对大坝抗震安全评价至关重要。基于等效荷载和人工边界的地震波动输入方法能较好地反映出结构-地基之间的相互作用并得到了广泛应用。等效荷载和人工边界参数在均质线弹性地基条件下易于获得,而对于覆盖层地基,土体动力非线性特性给求解带来很大困难。鉴于此,首先根据覆盖层侧向边界的位移模式,发展了能高效、精确地获取多向地震动垂直入射时均质或成层覆盖层自由场非线性动力响应的简化模型;结合能动态实时获取地基材料参数的非线性人工边界,发展了一套覆盖层上土石坝非线性动力响应分析的地震波动输入方法。算例表明,发展的地震波动输入方法可大大减小计算网格量,并能较好地反映覆盖层对地震动频谱特性的影响且具有较高的精度。

基于设计地震动的斜入射波时程确定方法对土石坝地震响应的影响

基于设计地震动的斜入射波时程确定方法对土石坝的地震响应有显著影响,分析了斜入射P波和SV波时程按均质岩体在平坦地表水平向设计地震动1/2调幅,获得这种常用方法及其适用性。在P波和SV波组合斜入射前提下,考虑两者对半无限空间自由场的共同作用,建立了空间任意点自由场分量表达式,基于控制点自由场分量与设计地震动分量相同的原则,建立了入射波时程与入射角度的函数关系,提出了基于两向设计地震动的入射波时程确定方法。分析了在按垂直入射假定确定斜入射波时程时半无限空间地表自由场和基岩-覆盖层-土石坝系统地震响应相对于该方法的偏差。结果表明:在任意非垂直入射角度下,控制点自由场响应偏离设计地震动较严重,获得的土石坝坝顶加速度大小随入射角度变化规律包含地震动强度变化的贡献,不是设计地震动作用下的结果;该方法获得的地表自由场位移与设计地震动水平和竖直分量均吻合良好,能够正确反映斜入射角度引起的非一致运动,可以在保持设计地震动强度不变的前提下,分析斜入射角度对土石坝地震响应的影响。

基于离心模型试验的中硬自由场放大效应研究

利用叠环式剪切模型箱设计并构造了中硬自由场的离心模型,在75g离心场环境下开展了8组工况的动态离心模型试验,并以此来模拟人工地震动观测台站,获取中硬自由场不同深度监测点的加速度峰值、时程及反应谱等结果,系统研究中硬自由场条件下地表及地下不同深度的地震动放大效应。结果表明:中硬自由场滤波作用较小,从底部至地表,地震波的幅值和能量有逐渐增大的趋势,地震波形损失较小;中硬自由场地表处的峰值加速度放大作用显著,地表地震动放大系数在1.86~2.49之间,且放大系数从底部至地表呈逐渐增大的趋势;地震动加速度反应谱从底部至地表逐渐向高频方向移动,反应谱值随自由场深度的增加而降低;地表及地下各层位与基底输入的反应谱比值在一定范围内波动,且存在极值点,优势分布于1.65~1.85之间。

用Nakamura方法评估北京地区场地效应

传统的评估场地效应的经验转换函数方法需要有一个小孔径台阵,布设若干地震计,其中须有离软土台不远的基岩台,但因北京市位于很大部分无基岩出露的大面积平原地区,所以无法实现。我们用Nakamura方法对北京地区进行场地效应评估。北京市"十五"期间建立了数字地震观测台网,位于不同场地上的强震观测点清晰完整地记录了若干有感地震。本文利用近场地面自由场强震三分向地震记录,通过Nakamura方法研究了北京地区的场地效应。并与1679年三河-平谷MS8.1地震时北京地区实际遭受的宏观地震烈度相对比,结合北京地区的地下结构进行了分析。结果表明,用Nakamura方法所获得的反映震害的指标(Nakamura谱比率)有3个高值异常区,分别在北京东北部的怀柔县(值11.1)、北京昌平区西部(值10.1)和市中心区(值8.1),这与三河-平谷MS8.1地震时实际震害和观测点的地下局部构造基本一致。说明Nakamura方法在与北京地区地质构造类似的城市(平原、第四纪沉积层覆盖)如上海、成都、天津具有推广应用价值。我国正在建设大量自由场、数字化、宽频带、大动态强震观测点,该方法对于工程安全性评价具有一定的应用前景。

地下结构地震反应分析中人工边界条件和地震波动输入方法对比研究

针对地下结构地震反应分析问题,现有研究中常采用的计算模型存在较大差异。该文选取竖直入射剪切波作用下的二维土体模型,依据波场分解理论对比了不同边界条件和选择不同波场求解等效输入地震荷载的方法所得的土体反应。为了模拟有地下结构时产生散射波场的情况,建立了土体内部有隧洞的计算模型并计算了采用不同方法时的地震反应。通过与解析解或远置边界解的对比表明,地下结构地震反应分析中,所有截断边界均设置人工边界,并且在迎波面边界选择入射波场或者自由波场,非迎波面边界选择自由波场求解等效输入地震荷载时,地震动输入的精度最高,计算结果最可靠。

SV波斜入射不同自由场构建方法下水电站地面厂房地震响应研究

针对目前近断层地震动少有考虑斜入射以及存在不同自由场构建方法的问题,研究了不同自由场构建方法的精度及其对水电站地面厂房地震响应的影响。将总波场分解为内行场和外行场,基于波场叠加原理分析了地基各边界面上的3种自由场,推导了与各边界面自由场对应的等效节点荷载计算公式,并结合边界条件实现了平面SV波斜入射输入。分析了3种斜入射下整个地基的自由场及其相对于解析解的计算精度,不考虑地基底部和右侧边界外行场时,计算误差较大;考虑地基底部边界和右侧边界外行场时计算误差很小,最大误差仅为-3.8%。研究了3种自由场构建方法下脉冲型和非脉冲地震动对水电站厂房地震响应的影响。结果表明:不考虑地基底边界和右侧边界外行场时,厂房总输入能和损伤耗散能有较大增加,导致厂房下部尾水管结构出现大范围的损伤破坏,并且各项能量占总输入能的比重发生明显变化;在相同自由场构建方法下,脉冲型地震动对厂房的破坏能力更强,因此近断层区域内厂房的抗震设计应该引起重视。