随机结构的平稳随机地震响应

基于摄动理论、考虑地面运动的相位差，推导了大跨度随机结构在平稳随机地震作用下位移响应的零阶、一阶功率谱密度函数计算公式，算例表明，对大跨度随机结构考虑地震输入相位差的影响十分必要。     

地铁隧道邻近地裂缝带的地震响应

采用数值模拟方法, 在不同震级人工地震波作用下, 研究了具有近距离平行地裂缝的地铁隧道的加速度、位移和内力特征, 计算了地裂缝的影响区域、围岩动土压力变化规律和隧道与围岩接触动土压力变化规律。研究结果表明: 在地表距隧道水平距离约25~50m范围内加速度响应存在一个附加放大区域; 当输入地震动强度较小时(50年超越概率为63%), 地铁隧道拱顶和拱底处相对水平位移都较小(约为0.39mm), 但随着输入地震动强度的增大(50年超越概率为2%), 拱顶和拱底的相对水平位移均逐渐增大, 最终增大至1.53mm; 在地震动作用下, 隧道结构的左、右拱肩和拱脚处的轴力都较大, 其中右拱脚处的轴力最大, 为1 926kN; 隧道结构的左、右拱腰处的弯矩和剪力都较大, 其中最大弯矩与最大剪力在右拱腰处, 分别为78.54kN·m与1 830kN; 随着地震动强度的增大, 隧道结构的内力逐渐增强; 地裂缝附近的动土压力较大, 并向两侧逐渐减小; 在中震作用下隧道拱顶处, 地裂缝上盘影响宽度为25m, 下盘影响宽度为20m, 在拱底处, 地裂缝上盘影响宽度为26m, 下盘影响宽度为22m;在大震作用下, 地裂缝上、下盘影响宽度较中震时增大约35%;地裂缝附近的隧道拱顶和拱底的动土压力变化规律与无地裂缝时基本一致, 但隧道结构附近的动土压力较大, 其最大值为138kPa; 在地震动作用下, 隧道结构拱腰处的接触动土压力增量较大, 右拱腰处即靠近地裂缝一侧最大, 增量为45.27%, 拱顶次之, 增量为13.41%, 拱底最小, 增量为6.86%。      

高含水量黄土隧道CRD施工过程变形分析

为了确保施工安全,为高含水量黄土隧道施工提供准确及时的隧道变化情况,现以宝兰客运专线上某高含水量黄土隧道为工程背景,首先对隧道CRD开挖过程进行有限元数值模拟,然后通过现场监测数据,研究了拱顶下沉、周边位移等参数随时间变化的规律及分布特征,并且分别对现场实测数据进行了回归分析.结果表明:拱顶下沉、周边位移时程曲线都是呈阶梯形,比较符合隧道CRD开挖的一般规律;通过回归分析可知幂函数的相关系数最大;通过有限元数值模拟可知竖向的位移主要集中在拱顶、右拱肩和仰拱以下的竖直区域,周边位移主要集中在拱腰与拱脚附近,并且模拟计算结果与实测结果基本吻合.     

大跨径在役桥梁随机地震动模拟方法

考虑桥梁结构的服役期对地震荷载的影响,应用等超越概率的方法将地震作用进行折减,将公路桥梁抗震规范中的两级设防标准扩展为三级设防标准.考虑地震动的随机性,应用概率理论将目标反应谱随机化,结合相干函数和相位差谱理论,采用MATLAB程序,生成在役桥梁结构空间相关多点非平稳随机地震动.模拟结果表明:应用等超越概率的方法可以将地震动峰值加速度进行合理折减;应用概率理论进行反应谱随机抽样,得到的随机地震反应谱能够较好地反映地震动的随机性,其中30条随机反应谱的变异系数最大差值为0.064,精度符合要求;计算反应谱与随机目标反应谱拟合情况良好,1、2号目标点的拟合优度值分别为0.82和0.81,精度符合要求;合成的人工地震动能够反映在役桥梁结构的已服役期和地震动的随机性,接近实际的地震记录.     

地震动输入方向对隧道洞口段动力响应的影响

隧道洞口段抗震分析中,需要考虑地震动输入方向的影响.通过数值模拟的方法对不同地震动输入方向输入时隧道洞口段仰坡和衬砌的动力响应进行了对比分析.结果表明:横向地震动作用时隧道洞口段的动力响应最大,纵向输入时次之,竖向输入时最小;横向和纵向地震动作用时,坡面位移放大系数(PGD)和加速度放大系数(PGA)均由减小段和增大段构成,竖向地震动作用时只有增大段;在距洞口20 m范围内,衬砌受地震惯性力的影响较大,超过20 m之后,衬砌上的惯性力作用在减弱.     

衬砌纵向开裂隧道地震响应振动台的试验研究

为了研究高速铁路双线隧道衬砌纵向裂缝对结构抗震安全性的影响,针对《铁路隧道设计规范》（TB 10003—2016）IV级围岩开展大型振动台模型试验,试验采用改进的静动耦合剪切模型箱,考虑隧道埋深、衬砌开裂位置和开裂形式3个影响因素,分析隧道衬砌的地震动应变和结构内力响应规律. 试验结果表明:在地震剪切波作用下,浅埋隧道和深埋隧道衬砌结构的破坏形式分别为受拉破坏和受压破坏,破坏位置均首先出现在拱腰,对应的无裂缝衬砌破坏时振动台台面输入波峰值加速度分别为0.8g和0.9g;拱顶和边墙处裂缝对隧道衬砌结构抗震安全性影响较小,而拱腰处裂缝影响显著;浅埋和深埋条件下,拱腰处有裂缝的衬砌破坏时振动台台面输入波峰值加速度分别为0.5g和0.6g;纵向裂缝的开裂形式不同,衬砌破坏时对应的峰值加速度基本相同;在深埋条件下,相比于正截面裂缝,拱腰处斜截面裂缝导致衬砌结构破坏后变形速度加剧.      

地震区棚洞合理结构形式的研究

以傍山隧道为研究对象,计算了地震动作用下不同结构形式棚洞的主应力和位移。采用大型有限元软件AN-SYS对棚洞进行了地震反应分析,根据D-P屈服准则,利用静-动力统一人工边界建立边界条件。研究表明:半拱斜柱式棚洞比半拱直柱式棚洞的抗震性能更优越;拱式棚洞比柱式棚洞抗震性能更好;柱式棚洞柱与横梁的连接形式不同而应力分布规律发生变化;地震时,洞顶回填土与边坡的交界面可能产生滑动。     

黄土软弱围岩下隧道开挖支护技术分析

采用超前小导管进行隧道支护,并分析了超前支护对隧道拱顶沉降、周边收敛和应力分布的影响。结果表明：超前小导管能有效减小拱顶沉降,尤其在支护时效果更显著,沉降值呈台阶状上升;超前小导管对拱底位移控制效果不明显;超前小导管对周边收敛变形的控制效果主要体现在拱腰位置,其次是边墙,最后是拱肩;超前小导管对应力分布的影响不大,水平应力最大值集中在拱腰,竖向应力最大值集中在拱顶和拱底,在黄土隧道开挖过程中应注意拱底、拱顶和拱腰位置处的应力变化。     

水平软硬互层偏压隧道施工稳定性分析

以水平层状的砂泥岩互层围岩条件下遂德高速公路中鸡公岭隧道为工程背景,采用有限元分析软件,模拟分析在不同偏压条件下三台阶开挖施工方法中隧道围岩塑性区分布情况及初衬收敛位移、应力场变化情况。结果表明：中部施工对隧道稳定性影响最大,随着偏压角度的增大,塑性区由拱腰向拱脚及拱肩处发展。初衬拱顶及仰拱竖向位移随着施工步序的进行而增大,总体收敛位移及竖向位移最大值均发生在砂泥岩互层交界处。由于施工荷载作用,整个拱圈初衬的初始应力场被破坏,其中隧道中部施工对应力场重分布的作用更明显。随着偏压角度的增大,左右两侧隧道小主应力最大值绝对值的增量均逐渐变大,在偏压角度大于50°后,左侧隧道小主应力最大值绝对值超过右侧隧道的对应值。     

考虑空间变异性的地铁隧道地震动力响应分析

地铁隧道为超长线状结构,在动力分析中应考虑地震动空间变异性的影响。采用改进谱表示法合成了考虑场地效应、相干效应的人工地震动时程;将穿越不同性质场地的局部弯折隧道与直线隧道作为研究对象,利用有限元方法,研究了空间变异地震动作用下的局部地铁隧道的动力响应,并对计算结果进行了对比分析。结果表明:在穿越土层处,隧道将会发生一定的错动位移;相对于直线隧道,弯折隧道的截面弯矩较小,而截面剪力较大;隧道内的应力主要集中在场地交界处,且拉压应力带与隧道大体呈45°。     

随机地震动下粘滞阻尼减震结构振动台试验研究

为研究随机激励作用时粘滞阻尼器在结构中的实际减振效果,开展了随机地震动作用下粘滞阻尼减震结构振动台试验研究. 振动台试验中,采用基于物理随机地震动模型生成的地震动样本作为台面输入. 通过对有控和无控模型结构响应的均值、标准差以及概率密度函数等进行比较,系统分析了粘滞阻尼器的消能减震效果. 结果表明:有控模型结构层间位移响应显著减小,楼层剪力均方根值取得一定的减振效果,而大多数楼层绝对加速度响应出现不同程度增大;随机地震动作用下模型结构动力响应的变异性显著,且不同试验地震动样本输入时粘滞阻尼器取得的减振效果不同;粘滞阻尼器-钢支撑系统工作时能给被控结构提供一定的附加刚度和附加阻尼,使得结构动力特性产生变化,进而改变结构地震响应;有控模型结构底层位移响应的均值及标准差在地震动作用时段内均显著减小,且底层位移响应在各时刻的概率密度函数的分布宽度及其形态较无控时发生明显变化.      

单侧轨道不平顺数值模拟

采用傅立叶逆变换将轨道不平顺功率谱密度转换为时域不平顺序列,分析了美国轨道中心线各种不平顺的相关性。利用轨道中心线不平顺与左右轨道不平顺的关系,将中心线轨道不平顺等效转换为左右轨道的垂向和横向不平顺,通过车辆动力学仿真计算了轮轨作用力响应,并比较了美国五级谱单侧不平顺与中国干线谱不平顺。比较结果表明:各种中心线不平顺之间相关系数均小于0.3,为微弱相关,可视为统计独立的;中心线轨道不平顺响应与等效后的左右轨道不平顺响应的相关系数均大于0.8,为高度相关,验证了等效转换的正确性;美国五级谱单侧不平顺功率谱密度在低频部分高于中国干线谱,在高频部分则低于中国干线谱。     

预制装配式箱涵结构地震响应影响因素分析

通过数值模拟方法研究了不同埋深、不同地震动峰值特性和不同箱涵顶板伸出长度情况下装配式箱涵的地震响应特征。结果表明,在地震作用下,埋深增加,结构的水平相对位移、竖向相对位移和应力均增加;地震动峰值提高,最大主应力集中在顶板中部、顶板两侧角部以及侧墙内侧角部;当顶板伸出长度介于110～115cm时,箱涵水平位移、竖向位移以及最大主应力下降幅度较大,抗震性能较好。     

轨道不平顺概率模型

为了高效选取轨道不平顺随机样本, 以满足车辆-轨道系统随机动力与可靠度分析中的激振源遍历性要求, 依据轨道随机不平顺的弱平稳与谱相似特征, 提出了一种轨道不平顺概率模型; 采用离散概率积分和统计方法, 在时域中将大量轨道不平顺检测信号分成若干个时程序列, 对每个序列采用谱分析法计算其统计功率谱密度分布; 采用矩阵法对轨道不平顺功率谱密度函数进行集合表征, 视每条谱线在不同频率点的功率谱密度概率具有累加性, 采用单一频率下的功率谱密度概率分布推知整条谱线的出现概率; 采用通用随机模拟方法选取代表性轨道谱, 并反演随机不平顺序列; 实测了某高速铁路约269km的轨道高低和方向不平顺, 基于车辆-轨道耦合动力学理论, 从轨道不平顺模拟幅值与车辆-轨道系统动力响应的概率密度分布出发, 对比了轨道不平顺概率模型与轨道不平顺随机模型的计算结果, 以验证轨道不平顺概率模型的正确性和高效性。计算结果表明: 以2种模型生成的轨道随机不平顺为激振源, 获得的车辆-轨道系统动力响应分布熵差异小于2%, 2种模型均能准确表达不平顺激扰特性; 为保证模拟与实测不平顺的概率密度分布一致, 采用随机模型和概率模型分别需要生成131和33个随机样本, 概率模型具有更高的分析效率; 在给定计算工况下, 轮轨力和车体加速度的幅值分别为38~152kN和-0.042g~0.043g (g为重力加速度), 均未超过《高速铁路设计规范》 (TB 10621—2014) 中的限值(轮轨力为170kN, 车体加速度为0.25g), 表明此高速铁路轨道不平顺状态较优, 行车安全性和舒适性可以得到保证。      

爆破振动下双洞隧道衬砌动力响应分析

以浙江省金华市里岩垄坑2号隧道为工程背景,研究Ⅲ级围岩隧道爆破时衬砌动力响应.本文采用MinimateProTM振动监测仪对开挖洞与邻洞进行了爆破振动测量,并利用Midas GTS NX对双洞隧道进行数值模拟分析.研究结果表明:本洞初衬振动速度和位移的最大值发生在拱顶处,横向上的大小远小于纵向和竖向.对于纵向,拱顶及拱肩处的质点振动峰值速度远大于其他关键位置的,各关键位置的竖向位移和速度变化趋势相同,但仍是拱顶处最大;本洞初衬应力最大值位于拱腰处,先行洞应力最大值在左拱腰处;其速度与位移的最大值位于左拱肩;先行洞二衬与后行洞掌子面的纵向间距应为15～20 m.本文研究结果可为双洞隧道的爆破施工提供指导.     

爆破振动下双洞隧道衬砌动力响应分析

以浙江省金华市里岩垄坑2号隧道为工程背景,研究Ⅲ级围岩隧道爆破时衬砌动力响应.本文采用MinimateProTM振动监测仪对开挖洞与邻洞进行了爆破振动测量,并利用Midas GTS NX对双洞隧道进行数值模拟分析.研究结果表明:本洞初衬振动速度和位移的最大值发生在拱顶处,横向上的大小远小于纵向和竖向.对于纵向,拱顶及拱肩处的质点振动峰值速度远大于其他关键位置的,各关键位置的竖向位移和速度变化趋势相同,但仍是拱顶处最大;本洞初衬应力最大值位于拱腰处,先行洞应力最大值在左拱腰处;其速度与位移的最大值位于左拱肩;先行洞二衬与后行洞掌子面的纵向间距应为15～20 m.本文研究结果可为双洞隧道的爆破施工提供指导.     

多维多点非平稳地震波合成

为了所合成的地震波较为真实地体现实际地震动的多维性、空间性及非平稳性,采用三角级数方法合成了多维多点非平稳地震波.首先,将设计反应谱转化为当量功率谱,考虑地震动的多维性,将功率谱密度函数矩阵由一维扩展到三维;其次,考虑地震动非平稳性,添加包络函数和梯形窗口连接,利用Fourier变换合成了非平稳地震波;再次,将各激励点各方向的地震动时程逆转换为加速度反应谱,且与目标反应谱对比,采用频域方法迭代修正时程幅值,得到满足精度要求的地震动时程曲线.最后,将目标拟合反应谱与设计反应谱相比较,验证合成地震波的精度,结果表明:个别点超过10.00%的拟合误差(最大为16.68%),但总体上拟合误差不超过8.00%(未修正前为18.00%).     

基于随机振动法的大跨度双塔斜拉桥地震响应分析

为研究大跨度双塔斜拉桥在随机振动下的动力响应,利用通用有限元软件ANSYS建立了某大跨径双塔斜拉桥的三维有限元模型,基于随机振动理论研究了该斜拉桥在一致激励下的地震响应,同时分析了局部地震效应对结构随机地震的影响,研究结果表明：三维激励下结构的地震响应一般较一维输入稍大,且其并非一维激励下地震响应的数值叠加;三维激励下结构的响应更加全面,为使结构更好地满足抗震要求,应着重考虑三维激励下结构的地震响应;对比在一致激励下的随机地震响应,考虑局部场地效应后,结构地震响应变化较大,且均呈增大趋势,其中主梁位移均方差和主塔顺桥向弯矩均方根增幅分别达到了26%和30%;对于大跨度斜拉桥,局部场地效应对斜拉桥随机地震响应的影响巨大。     

随机地震激励下高墩桥梁碰撞可靠度分析

为了研究不同地震动强度作用下高墩桥梁的碰撞可靠度的不同,在频域范围内提出了一种以虚拟激励法为基础的动力可靠度计算方法,依托某高墩大跨度桥梁为工程背景,分析了高墩桥梁在不同地震强度下的碰撞可靠度.选择反应谱的水平加速度作为地震强度衡量指标,且将不同强度指标的反应谱转化为相应的功率谱;利用虚拟激励法求解随机振动方程,得到结构响应的均值与均方差值,再基于Davenport理论获得结构峰值响应的期望和标准差;根据首次超越理论计算梁体碰撞可靠度.研究表明:地震动加速度小于0.22g时,梁体之间不发生碰撞,动力可靠度为1.0;加速度大于0.22g时,梁体碰撞动力可靠度下降明显,即在强震作用下,梁体发生碰撞.      

复杂多层隔震结构近场地震动位移响应特征分析

为了研究近场地震动特征参数对超长复杂基础隔震结构地震位移响应的影响特征. 首先,分析了128条近场地震动特征参数之间的相关性;接着,对超长复杂基础隔震结构输入地震动,分析脉冲型地震动和非脉冲型地震动的特征参数与结构位移响应之间的相关程度及变化特征. 结果表明:隔震结构的长周期值因接近速度谱中速度敏感性区域而远离加速度谱中加速度敏感性区域,使得结构位移响应与地面峰值速度（peak ground velocity,PGV）的相关程度大于与地面峰值加速度（peak ground acceleration,PGA）的相关程度;地面峰值位移（peak ground displacement,PGD）、输入能对较低楼层的层间位移影响程度大于较高楼层层间位移的影响程度,而PGV和PGA对较低楼层的层间位移大小影响程度小于较高楼层层间位移的影响程度;其他特征参数（除输入能和PGV之外）与基础隔震结构层间位移响应的相关程度大小,同该特征参数与地震动特征参数输入能（或PGV）的相关水平程度相一致;除此之外,近场地震作用下,结构端部及边角位置支座相对中心位置支座位移明显偏大,脉冲型地震动对结构层间位移和隔震层位移分别放大56.59%、58.33%,且对较低楼层的层间位移放大作用更加明显.