含覆盖层峡谷地形对平面P、SV波的宽频散射模拟

含覆盖层峡谷对地震波的高频散射规律尚不明确．本文采用间接边界元方法(IBEM)分析半空间中含覆盖层峡谷地形对地震波的二维宽频散射,对入射波型、入射角度和频率、覆盖层深宽比等因素对覆盖层地震响应规律的影响进行探讨分析．结果表明：IBEM可高效精确地对地震波的散射进行宽频模拟．对中低频段（无量纲频率η10.0）,覆盖层放大效应减弱甚至出现缩幅效应．随覆盖层深度增加,位移放大频段的带宽逐渐减小,第一峰值频率降低,且在低频段频谱曲线振荡剧烈．另外,覆盖层形状和入射角度对地震波聚焦特征也具有重要影响,不同波型入射下聚焦区域有很大差别．实际含覆盖层峡谷地形地震反应分析需精细考虑波型、入射波频率和角度、覆盖层深宽比等因素,以更科学地进行震害解释和地震安全性评价．     

含松软覆盖层V型峡谷对Rayleigh波的宽频散射

含松软覆盖层峡谷地形对地震动具有放大效应已被多次地震观测所证实。本文对Rayleigh波入射下V形覆盖层峡谷的地震反应进行宽频模拟,讨论了V形峡谷深度、覆盖层软硬程度、倾角以及波的频率等因素对地表位移幅值的影响。数值结果表明:在中低频段(量纲为一的频率η5.0),含覆盖层峡谷地形对地震波的放大效应显著。在高频波段(η10.0),覆盖层放大效应减弱甚至出现缩幅效应;随覆盖层深度增加,位移放大频段的带宽逐渐减小,第一峰值频率降低,且在低频段频谱曲线振荡剧烈;覆盖层越软,位移越大,峡谷表面位移空间变化越剧烈;峡谷右边界与水平面夹角不同,导致地表位移幅值的空间分布相差较大,在中低频时峡谷右侧的图线差异比较明显,在高频时变化差异不大。由此可见覆盖层软硬程度和形状对地震波聚焦特征也具有重要影响。     

地形和土-结相互作用效应对三维跨峡谷 桥梁地震响应的影响分析

评估跨峡谷桥梁的地震性态需要考虑地形效应、行波效应以及土-结相互作用效应.将峡谷-桥梁系统在地震波输入下的反应分析看作波动散射问题,即桥梁及其邻近非规则区域对峡谷场地"自由场"的扰动. 基于此思想,本文发展了一套跨峡谷桥梁地震反应分析方法,通过二维模型分析得到峡谷场地的"自由场", 结合人工边界输入到峡谷-桥梁体系,采用土-结相互作用分区并行方法对其进行分析, 并编制了相应的分析程序.该方法可在自由场分析时考虑非垂直入射地震波, 计入行波效应,因此可综合考虑行波效应、地形效应和土-结相互作用效应. 通过峡谷场地分析算例,验证了自由场和人工边界实施的正确性; 并以马水河大桥为对象,通过5种计算模型结果的比较,分析了地形效应和土-结相互作用效应对跨峡谷桥梁地震反应的影响, 算例结果表明,地形效应对墩底剪力、弯矩和轴力有明显影响,对位移的影响要比对剪力、弯矩的影响小; 土-结相互作用对桥梁反应的影响较大,较大地减小了桥梁反应.      

土–结构动力相互作用分析中基于人工边界子结构的地震波动输入方法

数值模拟是解决土–结构动力相互作用问题的重要手段,而合理地实现地震波动输入直接影响地震作用下土–结构动力相互作用问题数值模拟的精度.波动法是目前常用的地震动输入方法之一,该方法将输入地震动转化为人工边界上的等效载荷,相较于其他地震动输入方法,波动法模拟精度高,但实施上相对复杂.从有限元模型入手,推导了采用波动法确定等效输入地震载荷的另一种形式,以此为基础,提出了一种在人工边界上实现地震动输入的新方法.新方法通过对土–结构有限元模型中由包含人工边界节点的单元组成的子结构施加自由场位移时程并进行动力分析,直接获得可实现地震波动有效输入的等效载荷,然后将等效输入地震载荷施加在土–结构模型的人工边界节点上,从而完成土–结构动力相互作用问题分析中地震动输入和地震反应计算.与原有波动法相比,新方法避免了需分别计算人工边界上自由场应力和由引入人工边界条件带来的附加力,以及需要根据不同人工边界面确定载荷的作用方向等较为复杂的处理过程,具有等效地震载荷计算简便、地震动输入过程更易于实施的特点.采用竖直入射和斜入射地震波动作用下的弹性半空间和成层半空间地震反应算例验证了新方法的有效性.     

土-结构动力相互作用分析中基于人工边界子结构的地震波动输入方法

数值模拟是解决土-结构动力相互作用问题的重要手段,而合理地实现地震波动输入直接影响地震作用下土-结构动力相互作用问题数值模拟的精度。波动法是目前常用的地震动输入方法之一,该方法将输入地震动转化为人工边界上的等效荷载,相较于其他地震动输入方法,波动法模拟精度高,但实施上相对复杂。从有限元模型入手,推导了采用波动法确定等效输入地震荷载的另一种形式,以此为基础,提出了一种在人工边界上实现地震动输入的新方法。新方法通过对土-结构有限元模型中由包含人工边界节点的单元组成的子结构施加自由场位移时程并进行动力分析,直接获得可实现地震波动有效输入的等效荷载,然后将等效输入地震荷载施加在土-结构模型的人工边界节点上,从而完成土-结构动力相互作用问题分析中地震动输入和地震反应计算。与原有波动法相比,新方法避免了需分别计算人工边界上自由场应力和由引入人工边界条件带来的附加力,以及需要根据不同人工边界面确定荷载的作用方向等较为复杂的处理过程,具有等效地震荷载计算简便、地震动输入过程更易于实施的特点。采用竖直入射和斜入射地震波动作用下的弹性半空间和成层半空间地震反应算例验证了新方法的有效性。      

覆水饱和双相介质圆弧场地P波激励下散射问题的理论解

采用波函数展开法对平面P波入射复杂水域地形的空间变异性地震动场进行研究,该水域地形具有覆水层、饱和双相介质、场地非平坦以及第二类分层(场地跨越分层界面)等属性.首先,依据地震波反射和透射特性推导直角坐标系下的自由波场分布;然后,根据场地属性并引入大圆弧法分析极坐标系下的含有待定系数的散射波场;进而,结合土-水分界面和饱和土层分界面边界条件,求解散射波场中的待定系数;最后,通过自由波场和散射波场得到覆水饱和双相介质圆弧场地波函数理论解.基于理论解,通过算例验证了理论推导的合理性及可靠性,分析了地表位移在不同入射条件下的差异性.结果 表明,相对于均匀介质,饱和双相介质会显著影响地表位移分布.此外,入射波频率和角度对地震地面运动特性也有较大的影响.     

拱坝—地基体系的多点输入虚拟激励法及随机响应分析

本文采用等效地基集总参数模型,推导了拱坝－地基体系多点输入随机分析的虚拟激励法对拱坝－地基动力相互作用体系在多点随机输入地震波作作下的随机的响应进行 分析,讨论了局部场地的散射效应及地震动空间相干性质损失对拱坝随机响应的影响。     

缺陷岩体中弹性波传播的多次散射效应分析

弹性波在岩体中传播时与岩体缺陷相互作用形成复杂的传播图案。为研究缺陷对弹性波多次散射作用的影响,建立了双椭圆缺陷模型,基于Green函数基本解,采用边界积分的计算方法,得到了反映缺陷界面条件的刚度矩阵,分析了弹性波在双椭圆缺陷间的多次散射效应。结果表明：与单椭圆缺陷模型相比,双缺陷的相互作用使得弹性波频散和衰减效应增强,定量给出了缺陷的影响区域,从而明确了多次散射效应的尺度界限。进一步探讨了弹性波传播的多尺度效应,结果表明频散的Rayleigh峰、Mie峰和衰减的峰值频率同椭圆长轴和入射波波长两个尺度密切相关,存在明确的定量关系。相应的数值模拟结果表明,弹性波和缺陷相互作用在缺陷界面上诱发界面波,该界面波也存在频率相关性,影响了弹性波宏观传播的频散和衰减特征。     

地震波反演与土-结构动力相互作用分析

基岩地震动的确定是土-结构动力相互作用分析的关键步骤之一.本文基于一维剪切波动理论,利用MATLAB编制了自由场地表波向基岩波反演的计算程序,进行了数值验证,并对汶川地震同济大学实测地震波进行了反演计算,分析了反演基岩地震波与地表波的差异.在此基础上,采用ANSYS软件建立土-结构相互作用体系分析模型,以土层深处的反演地震波作为输入,对土-结构相互作用体系进行了地震反应分析,探讨了在El Centro波及汶川地震同济大学实测波二种不同反演波输入下,桩基承台及上部结构地震反应的差异,得到了有工程参考价值的结果.     

层状半空间中单桩对任意入射地震波的响应

本文以任意入射地震波作为初始运动输入，采用层状半空间中显式表达形式的动力Ｇｒｅｅｎ函数形成阶－土相互作用分析所需的土介质柔度矩阵，用梁单元模拟桩的运动，在文献［５］的基础上，建立了层状半空间中单桩对任意入射地震波响应的实用计算模型，研究了层状半空间中单桩对不同角度入射ＳＨ波、ＳＶ波和Ｐ波的动力响应，得到了一些新的结果。     

基于反应谱值分析的爆破震动破坏评估研究

采用反应谱方法研究了爆破震动信号的振动速度和频率特征,提出了采用反应谱曲线积分值来评估爆破震动破坏效应。通过对289组爆破地震波数据的统计表明,在反应谱曲线的积分值小于5时,爆破地震动不会对所研究的普通民房结构物产生震动破坏效应。     

不同类型地震波作用下地下综合体结构地震反应分析

为探究不同类型地震波作用下地下综合体结构的地震反应特征,本文以上海某地下综合体为工程背景,采用ABAQUS软件建立土-地下综合体结构相互作用体系三维有限元模型,利用Davidenkov模型模拟土的非线性,以不同类型的单向地震波和双向地震波（含水平向和竖向）作为输入,对软土场地中地下综合体结构进行了地震反应分析,比较了不同类型地震波作用下地下综合体结构地震反应的差异,探讨了地下综合体结构的竖向地震动效应问题．本文的算例结果表明：在长周期地震波作用下地下综合体结构的位移响应和内力响应峰值均明显大于普通地震波作用下的结果;考虑竖向地震动时地下综合体结构的柱轴力较单一水平向地震动作用情形有明显增大;在本文地下综合体结构算例中,地下三层柱底、四层柱顶、五层柱底、以及底板与侧墙连接处为受力较大部位．     

浅埋的圆柱形孔洞对SH波的散射与地震动

研究了浅埋的圆柱形孔洞对以任意方向入射的平面SH波的散射与地震动问题。利用复变函数和多极坐标方法构造了问题的位移解。当入射波的波长与圆孔的半径相比较小时,地震动将受到较大的影响。影响地震动有三个主要参数:(1)SH波的入射角0;(2)入射波波数,即圆柱形孔洞的半径与入射波半波长之比;(3)h/R,即圆柱形孔洞至表面的距离与圆孔半径之比。当较大时,地震动幅值变化激烈,位移幅值可出现跳动和放大的现象。当h/R增大至10～12时,位移幅值变化恢复至半空间的情况,表明圆柱形孔洞的影响可被忽略。     

多维地震激励下地基与结构相互作用系统动力反应耦联分析

为研究多维地震作用下地基与结构相互作用系统动力反应的基本规律,进行密肋复合墙结构与地基相互作用系统的模型振动台试验,测试了输入El-Centro波及天津波时地基与结构的加速度及位移反应,观测了地基开裂破坏现象。依据相互作用体系中上部结构的动力反应耦联模式,分析了结构加速度与位移反应耦联效应随高度的变化规律,研究了相互作用体系中结构振动耦联机制。结果表明:随测点高度的增加,加速度耦联效应系数除在顶层发生突变外,其余各测点的值均较为接近,且多数加载工况下位移耦联效应系数随高度的变化不明显;随着输入地震波烈度的提高,地基土先开裂而后略密实,结构顶部动力反应的耦联效应系数先增大后减小,相同烈度不同加载工况对应的值相差在10%以内。由此可见,在地震作用下地基的开裂破坏,导致地基与上部结构的接触发生变化,使结构在多维地震波作用下的动力反应发生耦联。     

青川县桅杆梁斜坡地震动响应监测研究

本文采用941B型超低频测振仪及G01通用数采仪,自2009年5月13～27日,在青川县桅杆梁监测到4次余震。对山体斜坡高程805m和875m的余震地震动峰值加速度响应监测结果分析表明：相对于805m高程, 875m测点地震动峰值加速度在水平东西向以及垂向均呈减小趋势,而在水平南北向体现显著的放大效应,放大系数可达7～8倍,其FFT主频值主要集中为2～4Hz低频值。分析表明,所监测的微—有感地震震中位于测点北侧的青川断裂上,沿地震波传播方向斜坡体具有显著放大效应作用。     

基于新建筑抗震设计规范考虑场地土特性的人工波生成及可靠性研究

基于新《建筑抗震设计规范》对场地土特性和人工波选择的要求,将地震动作为随机过程,利用修正胡聿贤-周锡元模型以及基于Hartley正交基的地震动随机过程经双调制生成不同场地土特性的人工地震波,以6层钢筋混凝土结构非线性随机地震反应分析为例,研究了不同场地土特性人工波对结构位移可靠度的影响。结果表明,场地土因素对人工波生成以及结构的动力响应影响较大,不同场地土人工波具有明显的统计学特性,均满足建筑抗震设计规范的选波要求,为最新《建筑抗震设计规范》要求考虑大量不同场地土效应的地震波生成提供了新的解决办法。     

基于新建筑抗震设计规范考虑场地土特性的人工波生成及可靠性研究

基于新《建筑抗震设计规范》对场地土特性和人工波选择的要求，将地震动作为随机过程，利用修正胡聿贤-周锡元模型以及基于Hartley正交基的地震动随机过程经双调制生成不同场地土特性的人工地震波，以6层钢筋混凝土结构非线性随机地震反应分析为例，研究了不同场地土特性人工波对结构位移可靠度的影响。结果表明，场地土因素对人工波生成以及结构的动力响应影响较大，不同场地土人工波具有明显的统计学特性，均满足建筑抗震设计规范的选波要求，为最新《建筑抗震设计规范》要求考虑大量不同场地土效应的地震波生成提供了新的解决办法。     

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通过Hilbert-Huang变换得到地震波的时间-频率-振幅分布图,并对地震动动力特性进 行分析,创造性地提出了用地震动峰值能量的最大值(即时频密度函数的最大值)和峰值系 数作为评估地震动震动效应强弱的定量指标,初步建立了地震动震动效应评估的判据;并用实 例验证了该判据的可行性和可靠性.     

平面P波在充满流体的任意形状孔洞上的散射

采用复变函数的保角映射方法和波函数展开法,根据孔洞与内部流体在界面上的应力和位移连续的边界条件,得到了充满流体的任意形状的孔洞对入射平面P波的散射问题的理论解,以椭圆形孔洞为例,着重分析了椭圆的长短轴之比、流体的存在与否以及入射频率对散射幅值的影响,结果表明:(1)圆形孔洞的分波波谱的峰值分布均匀,而椭圆形孔洞则不均匀;(2)散射P波的波谱主要集中于前进方向和背向一侧,而散射S波的波谱主要集中于与传播方向垂直的一侧;(3)入射波与孔洞的作用面积越大,散射P波的波谱也越大,而散射S波的波谱也越小;(4)当孔洞为圆形时,流体对散射P波和S波的波谱影响最小,即此时流体与孔壁的动力相互作用最小.     

黏弹性人工边界等效荷载计算的改进方法

黏弹性人工边界在场地地震反应和结构-地基动力相互作用等问题的计算中已得到了广泛的应用.地震波在黏弹性人工边界中的输入是通过将地震波转化为作用于人工边界处的等效载荷来实现的.计算等效节点载荷的常规方法默认边界节点对应区域内的应力为均布力,但实际上该节点对应区域内的应力分布通常是不均匀的.本文在有限元方法结合黏弹性局部人工边界的显式时域波动方法的基础上,建立了无限域散射问题地震波等效载荷计算的一种改进方法.该方法采用细化网格与应力积分相结合的方法计算人工边界等效节点力,有效地降低了人工边界上等效节点力的计算误差.以不同角度入射地震波的二维算例为例,算例给出的波场位移云图和节点位移时程曲线验证了本文方法的有效性,其计算精度与网格尺寸和地震波入射角度密切相关,且网格越小、入射角度越小,计算精度越高.对于相同的网格尺寸,本文采用方法的计算精度明显高于常规方法,尤其是对于斜入射问题优势更为明显.