多水平成层的非均匀介质圆弧形峡谷地下多点地震动模拟

开发了考虑圆弧场地水平多分层效应的地下多点地震动模拟可视化程序,验证其可靠性。首先,描述了给出的圆弧场地多分层效应的SH波动散射频域解,其本质是突破了传统均匀介质和分层不穿越峡谷前提的局限性;其次,利用从水平地表到峡谷表面再到地下土层的传递函数,通过两次传递得到了圆弧峡谷地下的目标功率谱和反应谱;进而,具体描述所导出的圆弧场地平-凹相关性的相干函数及其推导过程;最后,基于上述理论,开发了多层状的非均匀圆弧场地的多点地震动模拟程序,给出了模拟结果与目标功率谱、反应谱和相干函数的拟合对比,验证了该理论和程序的合理性和可靠性,便于所发展理论和方法的实用化和推广。     

考虑半覆水圆弧相变场地特征的地下多点地震动模拟方法与程序开发

建立了同时引入土壤介质相变和半覆水圆弧地形因素的场地模型，并给出了地下多点地震动模拟的理论框架，开发了依据本文理论的程序并予以可靠性验证。首先，基于探明的波场分布得到了SV波入射半覆水圆弧相变场地的频域解；其次，获得依据频域解的场地传递函数并求解出地下自功率谱，建立了基于所得到的地下相干函数的地下互功率谱，由此构建出地下功率谱矩阵；最后，实现频域模型向时域信号转化（即多点地震动时程曲线），进而基于上述理论进行可视化程序开发。通过数值算例进一步阐明了本研究的意义，结果表明，（1）地下与地表多点地震动在能量分布上存在显著差异，说明了研究的必要性；（2）生成地震动的拟合功率谱和拟合相干函数与理论值吻合较好，表明了结果的合理性；（3）可视化程序界面简洁，参数输入及调整方便，后处理结果显示清晰，反映出程序的便捷及适用性。     

覆水峡谷-丘陵复合地貌的地震差动相干函数模型及规律特征与影响

构建了覆水峡谷-丘陵复合地貌的地震差动模拟所需的相干函数模型。首先,提出并推导得到了考虑土体滤波效应和竖向距离的覆水峡谷-丘陵复合地貌相干函数模型表达式;探讨并阐述了相干性变化的规律特征及其物理本质。然后,基于新相干模型和传递函数构建地下功率谱矩阵,生成地下多点地震动;通过功率谱及相干函数拟合验证了模拟结果的科学性与合理性;对比分析了本研究提出的相干函数模型对多点地震动空间变异性的影响。最后,以一座连续刚构桥为例,探讨了新相干函数模型对结构地震差动响应的影响。结果表明：基于新相干函数模型的多点地震动相干性降低,各点地震动的空间变异性增大,进而加剧了结构各支承点运动的不同步性,最终导致结构地震差动响应增大。     

基于震源机制且考虑场地土分层差异效应的多点地震动:理论与程序开发

结合前人工作,首先形成了适用于我国目标场地的基于震源机制,且考虑局部场地效应的地表多点地震动具体生成途径,包括:(1)依据随机振动理论建立能够反映包含多个土层在内的局部场地整体过滤效应的传递函数,(2)基于本文作者改进的过滤函数而得到的适用于我国目标场地的基岩谱,进而通过分区建立局部场地的整体传递函数以反映不同场地土之间的差异性,(3)在前人工作基础上考虑了场地的非平坦性因素,(4)为了程序编制方便,给出了多土层过滤后相位角变化的显示表达式;然后,依据上述理论框架成功实现了程序MEMSV2011.6(Multi-support Earthquake Motions Simulation Version 2011.6)的编制和可视化运行,该程序可直接生成界面图形并输出数据文件,具体功能包括:设置震源参数、分区输入土层参数、计算并显示土层传递函数、设定非平稳参数、调控频率、生成多点地震动时程、验证多点地震动间的相干性以及拟合规范(桥梁、建筑和电力设施)反应谱等;最后,以一桥梁土层为算例,利用该程序生成了目标场地基于震源机制的地表多点地震动,并分析了地表地震动对场地土和震中距因素的敏感性。本文内容具有坚实理论基础和实用性,可直接为工程提供参考。     

场地土的随机地震反应分析

研究了剪切模量随深度呈线性变化时场地土的随机地震反应分析方法, 分别建立了基岩输入地震动加速度功率谱函数为白噪声和过滤白噪声时场地土的随机地震反应分析理论。     

基于能量的平稳地震动功率谱转换关系持时取值研究

功率谱密度函数与反应谱的转换关系广泛应用于随机振动分析和人工地震动合成过程中,地震动持时对转换结果有着重要的影响。依据傅里叶幅值谱精确计算输入能量谱方法,并结合功率谱与幅值谱的关系,建立了与功率谱相对应的输入能量谱。以大量地震动记录统计得到的输入能量谱作为参考,提出了功率谱与设计谱转换过程中持时的确定方法。以Ⅱ类场地为例,选择了多条天然地震动记录和谱匹配时域调整记录进行统计计算,确定了合理的持时取值,通过人工合成记录验证了持时取值的合理性。     

全非平稳地震作用下地下空间结构随机反应及可靠度分析

为研究全非平稳地震作用下地下空间结构的随机地震反应特征及可靠度分析方法,本文基于非均匀调制演变随机过程,建立了一种同时考虑强度非平稳和频率非平稳的全非平稳随机地震动输入功率谱分析模型;利用频响函数和脉冲响应函数间的傅里叶变换关系,推导出了适用于地下空间结构随机反应分析的响应功率谱计算表达式,可结合有限元方法对全非平稳地震作用下地下空间结构进行随机反应分析．基于穿越过程为泊松过程假定,采用分部积分方法,进一步推导出了适用于首次超越破坏可靠度计算的互相关函数解析表达式．然后,本文以上海某两层三跨地铁车站为工程背景,建立土-地铁车站结构相互作用体系有限元模型,对全非平稳地震作用下地铁车站结构进行了随机反应分析和中柱可靠度分析．结果表明：在非均匀调制演变功率谱作用下,结构的响应功率谱也具有明显的演变特征;利用文中给出的互相关函数计算公式,可避开调制函数的数值微分,提高计算精度．     

爆破地震地面运动的演变功率谱密度函数分析

按照Priestly提出的演变随机过程理论，对非平稳随机过程的演变功率谱密度函数进行了理论推导，并给出了定义。在此基础上，建立了基于均匀调制随机过程的爆破地震动演变功率谱密度函数。经对比发现，理论模型计算值与实验测试结果具有较好的一致性。     

桁架拱结构在地震动双向多点激励下的反应分析

基于经验相干损失函数和《建筑抗震设计规范》定义的反应谱模拟了空间变化地震动,进行了空间变化水平向和竖向地震动共同激励下桁架拱结构的反应分析。数值分析结果表明,与一致激励引起的结构反应相比,考虑地震动的空间变化增大了桁架拱结构的地震反应,引起地震动空间变化的每一个因素对于结构反应都有重要的影响。传统的基于一致地震动和仅考...     

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.     

考虑地震动多点激励与材料应变率效应的主跨300m级独塔斜拉桥弹塑性分析

建立主跨300m级独塔斜拉桥MIDAS/Civil空间有限元模型,开发Civil 2MARC可视化接口程序,进而将MIDAS/Civil模型转入MSC.MARC程序中并检验了模型转化前后的一致性。然后,开发了基于地表功率谱的地表多点地震动生成理论的多点地震动可视化软件MEMS_b(Multiple Earthquake Motions Simulation b)。进而说明了适用于多点位移-速度计算模型的相对精确性和容易实现的优势,并与MSC.MARC程序相结合应用于该桥梁的多点激励分析。最后分析了该桥梁地震作用下的薄弱环节与弹塑性反应,并研究多点输入和材料率效应对桥梁地震反应的影响规律。结果表明:(1)开发的可视化接口程序Civil2MARC界面便于操作,运行稳定,转化高效且结果可靠;(2)开发的可视化多点地震动生成程序MEMS_b界面友好,参数设置灵活且结果有效;(3)位移-速度多点计算模型理论完备,并可通过MSC.MARC程序对位移-速度多点计算模型加以实现;(4)解释并给出了应变率效应和多点地震动对该斜拉桥的塑性铰首次出现时间、位置以及计算末态塑性铰分布的影响规律。本文涉及到理论模型、程序开发及应用计算,可为相关工程提供参考。     

基于Kanai-Tajimi谱的非黏滞阻尼结构地震动响应的简明闭式解

针对非黏滞阻尼结构基于Kanai-Tajimi谱的卷积-微分混合动力方程解法较繁琐的问题,提出了 一种新的简明封闭解法.非黏滞阻尼模型能较好地模拟实际工程材料的阻尼特征,常以指数型核函数的卷积形式表示,给出其对应的微分型本构关系.Kanai-Tajimi谱随机地震动模型能较好地描述场地的随机地震动特性,其工程应用时所获...     

非平稳地震动的双调制模型研究

地震动是工程结构地震反应研究与抗震设计的基础,要分析工程系统的性能,必须要把地震动作为随机过程来建立可靠的模型。本文通过对非平稳过程演变谱的研究,给出双调制函数,建立了双调制非平稳地震地面运动模型。结合双调制函数和三角级数法生成人工地震波,通过对人工波频率和强度的非平稳性研究验证了双调制模型的有效性。同时本文给出了双调制非平稳地震激励的结构响应虚拟激励算法,得到响应的时变功率谱。分析表明,该模型具有明确的物理意义,且更符合实际,为结构抗震可靠性分析提供了一种较好的地震动模型。     

车辆各轮相干桥面不平顺激励的车桥耦合振动

根据车辆左右轮的互功率谱密度和相干函数,推导了左右轮桥面不平顺特性中对应相位角的相干关系,提出了采用相位角相干生成车辆各轮相干桥面不平顺激励的方法,并通过数值算例验证了该生成方法的可靠性.工程应用结果表明,车辆各轮相干桥面不平顺激励增大了桥梁、车辆竖向和车辆俯仰角的振动响应,但降低了车辆侧倾角的振动响应;不同相干函数模...     

非一致地震激励下大跨度斜拉桥的响应特性

基于平衡随机地震动场理论,研究了地震动空间变化,包括行波效应,相干损失和局部场地条件,对大跨度斜拉桥地震响应特征的影响,采用拟激励方法计算结构的随机响应,计算的响应量包括塔顶位移,塔底弯矩,辅助墩底弯矩等,得到的主要结论是：与一致地震激励相比,地震动空间变化可以使斜拉桥的地震反应改变 达40％,仅考虑行波效应可以得到响应的偏于保守的估计值,局部土场地条件的对斜拉桥的地震反应有重要影响,当各塔,墩处的土质条件差异较大时需进行详细的抗震分析。     

半覆水相变V形峡谷场地P波入射下的空间地震动散射频域理论解、验证及特征

克服介质相变、峡谷分层且局部地形覆水导致的固有边界值难题,首次推导并得到了半覆水相变V形峡谷场地对P波激励下的散射理论解,验证理论解的正确性,探究了相变界面的有无、入射波频率和入射角对地表位移的显著影响,突出并重点强调了覆水因素对结果影响的不可忽视性。分析结果表明,(1)以经典算例为标准,对比验证了本文理论解的正确性,解释并澄清了峡谷局部可预测性的微小偏差的来源。(2)与未覆水部位相比,峡谷覆水部位表面位移显著增大;与峡谷满水状态相比,相变面的存在使位移增大的初始位置向峡谷中间移动;不同的入射波频率和入射角下,地面运动情况存在显著差异,随着入射角的增大,水平方向的位移逐渐增大,竖直方向的位移逐渐减小。本文研究可为覆水V形峡谷的长大结构多点地震动的合理输入提供基础性研究依据,兼有理论意义与应用价值。     

周期性结构热动力时间-空间多尺度分析

研究一种时间-空间多尺度渐近均匀化分析方法，模拟不同的极端热和动力载荷下微尺度多 相周期性结构中热动力响应问题，并建立一个广义的波动函数场控制方程描述热动力响应. 通过引入一个放大空间尺度和两个缩小时间尺度，在不同时间尺度上获得由空间非均匀性引 起的波动效应和非局部效应. 根据高阶均匀化理论在空间和时间上进行均匀化，获得高阶非 局部函数场波动方程. 并进一步用C0连续修正了高阶非局部函数场波动方程的有限元近 似解，使问题的求解避免了对有限元离散的C1连续性要求. 并与经典的空间均匀化方法 相比较，指出了经典的空间均匀化方法的局限性，进一步以一维非傅立叶热传导和热动力问 题为例，讨论了各种情况下方法的正确性与有效性.     

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.      

基于面波数据的地下核爆炸的全元素矩张量反演方法

区域分层介质模型下, 可以将地震波场描述为矩张量各分量作为权重的基本格林函数的线性组合,利用该理论地震波场可以反演实际天然地震或地下核爆炸的震源机制,反演结果中不同震源机制成分的比重,可以用来识别地下核爆炸,该系统方法越来越受到关注。给出了基于广义反射-透射系数方法的水平分层介质模型的地震波场正演公式,并对基于该公式的单台反演结果的准确性、稳定性、可靠性进行了理论分析,为利用该公式对实际地下核爆炸进行反演提供了理论基础,该方法对利用区域少量甚至是单站记录数据检测、识别地下核爆炸具有重要参考意义。     

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。