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.     

SH波与界面多圆孔的散射及动应力集中

研究了平面SH波对相邻多个界面圆孔的散射及其动应力集中,为了求解,首先利用复变函数和多极坐标方法构造了在含有多个半圆形缺口的弹性半空间,水平面上任一点随时间谐和出平面线源载荷作用时失主移,邓Green函数,且采用“契合”模型,推导了SH波对相邻多个界面圆孔散射的定解积分方程组,进而求得圆孔附近的动应力系数,作为算例,讨论了具有两个界面圆孔对SH波的散射及其相互影响,给出了孔附近的动应力分布曲线。     

基于相位差谱的空间相关非平稳地震动场的模拟

地震动的非平稳特性主要是由其相位差谱决定的,相位差谱与相位导数之间存在线性倍数关系。根据相位导数的显式计算公式,从能量的角度解释了相位导数的均值大致决定了时程峰值的发生时刻,相位导数的方差决定了强震段的持续时间。在相关地震动场模拟方法中,首次将相位差谱的统计模型引入空间相关非平稳地震动场的模拟方法之中,利用快速傅立叶变换技术生成地震动场。表示地震动随机特性的随机相位谱利用相位差谱的统计模型生成,生成的地震动场不仅具有空间相关性,而且在时域、频域内均具有非平稳特性。     

大跨率桥梁直接考虑拟静力位移影响的随机地震反应分析

对 Duhamel积分引入了改进的脉冲响应函数 ,建立了激励演变谱矩阵与总动力响应演变谱之间的关系 ,并对实际大跨度斜拉桥进行了数值计算。这一成果实现了全面考虑各种地震动时空变化特性下的直接求解结构总动力响应的时域法和频域法计算列式 ,使得地震动多点激励下考虑拟静力位移影响的结构响应计算过程大为简化。     

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．     

圆弧形凹陷地形表面覆盖层对入射平面P波的影响

利用Fourier-Bessel级数展开法给出了表面具有覆盖层的圆弧形凹陷地形对入射平面P波散射问题的一个解析解，并利用该解分析了不同形状凹陷地形表面覆盖层刚度和厚度对入射P波的影响。结果表明，凹陷地形表面覆盖层的存在，即使厚度很薄，对入射P波的散射也具有很大覆盖，覆盖层刚度和厚度的变化可显著改善凹陷地形场地的动力特性。     

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．     

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。