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平面SV波入射下地上建筑群-地铁隧道群动力相互作用研究

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振动与冲击 2024年第4期43卷 27-37页

作者：刘中宪王建旭金立国天津城建大学土木工程学院天津300384 天津市软土特性与工程环境重点实验室天津300384 中国地震局地质研究所强震构造与地震危险性研究室北京100029

该研究采用一种高精度间接边界元方法(indirect boundary element method, IBEM),研究了平面SV波入射下地上建筑群-地铁隧道群的动力相互作用问题。研究表明:“建筑群-隧道群”系统存在显著的动力相互作用,其规律与入射波性质、建筑物... 详细信息

该研究采用一种高精度间接边界元方法(indirect boundary element method, IBEM),研究了平面SV波入射下地上建筑群-地铁隧道群的动力相互作用问题。研究表明:“建筑群-隧道群”系统存在显著的动力相互作用,其规律与入射波性质、建筑物和隧道数量排布等因素密切相关。通过对比不同建筑物数量对隧道动力响应的影响,能够发现:低频波作用下,建筑物对下穿隧道的动力响应有放大作用,而高频波作用下则会削弱隧道的动力响应,最多可以降低37.5%左右。从频域分析中可以看出:隧道对地震波有较强的屏蔽作用,从而降低了其上建筑群的地震响应。建筑群的存在降低了各个单体建筑的动力响应,但在高频波作用时位于建筑群来波一侧的建筑会产生较大的动力响应。该研究成果可为城市建筑群-地铁隧道群的动力相互作用分析以及地上建筑和地铁隧道的抗震设计提供理论依据。

关键词：结构-土-结构相互作用地铁隧道地上建筑群间接边界元法(IBEM) 频谱特性

基于IBEM和改进PSO的地下椭圆异质结构反演

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工程力学 2024年

作者：刘中宪朱朔焦凤瑀天津城建大学天津市软土特性与工程环境重点实验室天津大学土木工程系

为探明地层异质结构分布状况及其物理性质，传统局部线性优化方法被广泛应用于反演问题，但为更好解决反演问题的非线性和多解性，应用全局非线性优化算法——改进粒子群(PSO)算法进行参数寻优。该算法避免了反演对初始模型的强依赖性... 详细信息

为探明地层异质结构分布状况及其物理性质，传统局部线性优化方法被广泛应用于反演问题，但为更好解决反演问题的非线性和多解性，应用全局非线性优化算法——改进粒子群(PSO)算法进行参数寻优。该算法避免了反演对初始模型的强依赖性，通过将固定惯性权重改进为随适应度变化的自适应惯性权重，加强了粒子群的全局寻优能力与局部精细搜索能力。同时为优化正演，采用间接边界元法(IBEM)，降低计算维度，大幅提高了计算效率和精度。以半空间椭圆空洞和夹杂体为例，研究了改进PSO算法同IBEM结合反演的有效性和稳定性。在反演中，改进PSO算法可对异质结构位置进行快速反演，且各参数的反演结果均具有高精度。此外，算法较大的搜索范围一定程度上弥补了先验信息的不足，使其能有效地应用于椭圆异质结构的反演中。

关键词：地下异质结构反演反演算法间接边界元法改进PSO算法弹性波勘探

基于机器学习的IBIEM控制方程基本解构造模型

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计算力学学报 2024年

作者：刘中宪黄珑孟思博黄振恩天津大学建筑工程学院天津市软土特性与工程环境重点实验室天津城建大学土木工程学院

间接边界积分方程法(indirect boundary integral equation method， IBIEM)求解波动问题时控制方程基本解构造依赖经验判断和试算，导致宽频散射求解不够稳定。本文通过粒子群优化—人工神经网络建立IBIEM控制方程基本解构造模型，以... 详细信息

间接边界积分方程法(indirect boundary integral equation method， IBIEM)求解波动问题时控制方程基本解构造依赖经验判断和试算，导致宽频散射求解不够稳定。本文通过粒子群优化—人工神经网络建立IBIEM控制方程基本解构造模型，以数据驱动代替经验判断，处理基本解构造过程中的不确定性。以二维峡谷对平面SH波散射IBIEM模拟为例验证所建模型的可靠性。结果表明：所建IBIEM控制方程基本解构造模型可对虚拟波源位置和数量的最优设置进行有效预测，兼顾计算效率和精度，大幅提高IBIEM求解波动问题时的稳定性和高效性；虚拟波源位置和数量最优设置方案受入射波频率和场地几何条件影响显著，且表现出非单调变化特征，依据经验设置基本解可靠性较差，以数据驱动的预测模型具有明显优势。本文所建方法可为IBIEM求解其它类型场地地震波动问题提供参考。

关键词：间接边界积分方程法虚拟波源人工神经网络粒子群优化波动问题求解

近断层地震动作用下浅埋综合管廊地震易损性研究

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工程力学 2024年第2期41卷 213-221页

作者：张海王程西王岱刘中宪孟思博天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室天津300384 天津城建大学土木工程学院基础设施防护和环境绿色生物技术国际联合研究中心天津300384

为准确评估近断层地震动作用下浅埋综合管廊的地震损伤,利用ABAQUS建立土-结构整体有限元模型,以综合管廊层间位移角最大值为损伤指标,基于IDA方法进行结构地震易损性分析,重点考察近断层地震动强度指标和场地土特性对综合管廊抗震性能... 详细信息

为准确评估近断层地震动作用下浅埋综合管廊的地震损伤,利用ABAQUS建立土-结构整体有限元模型,以综合管廊层间位移角最大值为损伤指标,基于IDA方法进行结构地震易损性分析,重点考察近断层地震动强度指标和场地土特性对综合管廊抗震性能的影响。结果表明:近断层地震动加速度型指标的离散性最小,建议选取加速度型指标PGA、Sa作为地震动强度指标;以有限元计算数据为样本,采用BP神经网络可高效预测综合管廊结构的地震损伤,PGA、Sa及土体剪切模量对综合管廊地震易损性分析的影响较大,随着土体剪切模量的增大,超越概率逐渐减小,同时,LS、CP状态的超越概率变化范围要明显大于OP、IO状态;考虑PGA和Sa双参数更能准确反映不同地震动参数对结构损伤的影响,而仅考虑PGA或Sa单参数有可能高估结构的损伤程度。因此,对综合管廊等浅埋地下结构进行地震易损性分析时,建议综合考虑PGA和Sa的影响。

关键词：综合管廊近断层地震动地震易损性强度指标 BP神经网络

考虑建筑群-沉积盆地动力相互作用的建筑群震害评估方法

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地震学报 2024年第1期46卷 129-143页

作者：刘中宪孟思博张妤乔云帆陈龙伟天津市软土特性与工程环境重点实验室天津300384 天津城建大学土木工程学院天津300384 天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室天津300384 中国地震局工程力学研究所地震工程与工程振动重点实验室哈尔滨150086

我国大量城镇位于沉积盆地,沉积盆地对地震动具有显著的幅值放大和持时增长效应,同时沉积盆地与建筑群间的动力相互作用将导致地震动空间重分布。针对此问题,本文提出了一种考虑建筑群-沉积盆地动力相互作用的建筑群震害评估方法:首先,... 详细信息

我国大量城镇位于沉积盆地,沉积盆地对地震动具有显著的幅值放大和持时增长效应,同时沉积盆地与建筑群间的动力相互作用将导致地震动空间重分布。针对此问题,本文提出了一种考虑建筑群-沉积盆地动力相互作用的建筑群震害评估方法:首先,以剪切层模型、弯剪耦合模型等简化力学模型模拟建筑结构,计算建筑群-沉积盆地动力相互作用,获得建筑群的基础顶面地震动;然后,基于精细化有限元模型分析典型单体建筑的地震易损性;最后,结合所求建筑群元模型模拟建筑结构时,上部建筑对基础顶面地震动的影响具有等?效?性,因此所建方法适用于考虑建筑群-沉积盆地动力相互作用的建筑群震害评估;建筑群-沉积盆地动力相互作用主要导致盆地内地表地震动峰值降低,但局部位置会在盆地效应基础上产生附加放大效应;建筑群-沉积盆地动力相互作用导致不同地表点地震动加速度反应谱峰值相差3倍,同时放大邻近建筑出现相同等级震害的概率差异,所分析算例中,在是否考虑建筑群-沉积盆地动力相互作用的情况下,邻近四栋相同框架结构发生中等损坏的概率范围分别为66%—92%和87%—93%,此结果与实际震害中建筑结构交替破坏的现象一致。

关键词：盆地效应场地-城市相互作用易损性震害评估

近断层峡谷场地深水刚构桥地震响应参数敏感性研究

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振动工程学报 2024年

作者：孟思博魏石涛刘中宪程喜李文轩中铁十九局集团广州工程有限公司天津城建大土木工程学院天津城建大学天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室

峡谷地区大量高墩刚构桥位于近地震活动断层（以下简称近断层）区域，若跨河流或位于库区等有水环境，其抗震分析应综合考虑近断层效应、场地效应和流固耦合作用，目前多采用近断层地震记录作为一致输入，可能低估桥梁地震响应，且对震... 详细信息

峡谷地区大量高墩刚构桥位于近地震活动断层（以下简称近断层）区域，若跨河流或位于库区等有水环境，其抗震分析应综合考虑近断层效应、场地效应和流固耦合作用，目前多采用近断层地震记录作为一致输入，可能低估桥梁地震响应，且对震源、场地参数与桥梁地震响应相关性缺乏探讨。本文结合随机有限断层法和边界元法生成近断层上覆水层峡谷场地多维多点地震动加速度，开展近断层峡谷场地深水大跨高墩刚构桥地震响应分析。以从震源到结构全物理过程的视角，研究桥墩、支座响应对震源、场地参数的敏感性。结果表明：桥梁地震响应对断层破裂面尺寸最为敏感，整体上，震源参数对桥梁地震响应的影响较场地参数更为显著；场地效应导致主墩纵、横桥向曲率延性比均值相差8 5%,100%；桥梁主墩和支座对各参数敏感性存在差异；断层倾角处于3 3°～60°之间时，桥梁地震响应呈现先增大后减小趋势，主墩曲率延性比可相差3 5%；水层对地震动具有抑制效应，但动水压力对其地震响应的放大作用更突出。

关键词：近断层地震动局部场地效应深水刚构桥敏感性

P波入射下山体-隔震层-隧道的整体响应分析

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地震学报 2024年第3期46卷 526-538页

作者：黄磊刘翔刘中宪段更月蒋坪临艾天淳天津城建大学土木工程学院天津300384 天津市软土特性与工程环境重点实验室天津300384 北京智宇天成设计咨询有限公司北京101100 北京城建设计发展集团股份有限公司北京100032

采用高精度间接边界元方法(IBEM)开展了山体-隔震层-隧道的整体响应分析,研究了P波入射下柔性隔震层对高斯形山体内双线隧道地震动响应的减弱作用。在隔震层与围岩之间考虑了碎土的错动滑移,以模拟不完美交界面,并系统讨论了隔震层弹性... 详细信息

采用高精度间接边界元方法(IBEM)开展了山体-隔震层-隧道的整体响应分析,研究了P波入射下柔性隔震层对高斯形山体内双线隧道地震动响应的减弱作用。在隔震层与围岩之间考虑了碎土的错动滑移,以模拟不完美交界面,并系统讨论了隔震层弹性模量、厚度、P波入射频率等因素对隧道地震动响应的影响。数值模拟结果表明:适当增加隔震层厚度可以显著降低隧道应力,有效提升隔震效果,应力降低幅度约达50%以上,且使得结构受力更为均匀;随着隔震层材料的弹性模量减小,隧道动应力数值明显减小,有效减少了其应力放大区的面积,从而有效避免因地震而导致的衬砌裂缝。

关键词：间接边界元法山体地形双线衬砌隧道隔震层地震波散射

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二维饱和沉积盆地地震动响应非线性分析

震灾防御技术 2024年第1期19卷 1-13页

作者：张彦程鹏赵瑞斌孟庆领黄磊刘中宪天津城建大学天津市软土特性与工程环境重点实验室天津300384 中国地震局地震工程与工程振动重点实验室哈尔滨150080 北京构力科技有限公司北京100013

沉积盆地对地震动具有明显的放大效应。利用ABAQUS软件及二次开发平台,编写了基于Davidenkov骨架曲线的VUMAT子程序,对饱和沉积盆地进行了非线性反应模拟。建立不同基岩面坡度的二维T型沉积盆地,输入4条不同频谱特性及幅值的近断层地震... 详细信息

沉积盆地对地震动具有明显的放大效应。利用ABAQUS软件及二次开发平台,编写了基于Davidenkov骨架曲线的VUMAT子程序,对饱和沉积盆地进行了非线性反应模拟。建立不同基岩面坡度的二维T型沉积盆地,输入4条不同频谱特性及幅值的近断层地震波,研究不同盆地基岩面坡度、饱和介质特性、地震波强度等因素对沉积盆地非线性反应规律的影响。研究结果表明,地震波作用可造成饱和沉积盆地发生局部液化,地震波强度越大,液化区分布范围越广,地表处出现了永久塑性变形;地震波强度的增大导致地表土层发生液化的时间提前,且下层土的液化会减弱地震波的传播速度,导致上层地表土发生液化的时间延后;盆地内地表最不利位置随着基岩面坡度的增大逐渐向中心处移动,不同工况下速度峰值放大系数为1.18~3.33。

关键词： Davidenkov本构模型 VUMAT 二维非线性分析近断层沉积盆地场地反应

考虑岩土参数随机性的三维沉积盆地地震动高效模拟方法

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岩土工程学报 2024年第3期46卷 529-538页

作者：刘中宪孟思博李文轩赵嘉玮黄振恩天津城建大学天津市软土特性与工程环境重点实验室天津300384 天津城建大学天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室天津300384 天津城建大学土木工程学院天津300384 天津大学建筑工程学院天津300072

沉积盆地对地震波的散射导致盆地放大效应,增大结构震害。盆地的岩土参数通常具有显著的随机特征,导致盆地响应的可变性。旨在基于快速多极边界元法(FM-IBEM)和人工神经网络(ANN),提出一种考虑岩土参数不确定性的三维沉积盆地地震动有... 详细信息

沉积盆地对地震波的散射导致盆地放大效应,增大结构震害。盆地的岩土参数通常具有显著的随机特征,导致盆地响应的可变性。旨在基于快速多极边界元法(FM-IBEM)和人工神经网络(ANN),提出一种考虑岩土参数不确定性的三维沉积盆地地震动有效模拟方法。首先,以岩土参数、入射波频率和地表位置为输入参数,以三维沉积盆地响应为输出参数,建立了人工神经网络模型。其次,利用蒙特卡罗模拟(MCS)来评估沉积盆地地面运动的随机性,并使用ANN模型和数据集中现有的结果来代替数值模拟来求解样本,通过减少计算时间来提高随机问题的计算效率。结果表明,该方法可用于求解和评估考虑岩土参数随机性的三维沉积盆地地震响应,计算效率高。岩土参数的随机性对沉积盆地地震响应的影响不容忽视,沉积盆地地表响应的可变性与地表点的位置、入射频率和分布有关,表现出与均值分布非线性相关的特征。岩土参数的随机性对高频入射波作用下盆地地震动有显著影响,放大效应变异系数可达0.3,是岩土参数变异系数的3倍;与平均值相比,对应于95%置信水平的盆地峰值加速度增加了56%。

关键词：盆地效应人工神经网络岩土参数随机性快速多极边界元法