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海底边坡地震响应分析

海底边坡地震响应分析

作者：李明辉北京交通大学

学位级别：硕士

随着我国加快建设“海洋强国”,推进“一带一路”建设的国家战略实施,将在南海地区建设更多的海上油气开采平台和海底基础设施。而我国东南沿海地区位于环太平洋地震带上,地震时有发生,强烈的地震作用会导致海底边坡失稳,从而造成海上... 详细信息

随着我国加快建设“海洋强国”,推进“一带一路”建设的国家战略实施,将在南海地区建设更多的海上油气开采平台和海底基础设施。而我国东南沿海地区位于环太平洋地震带上,地震时有发生,强烈的地震作用会导致海底边坡失稳,从而造成海上油气平台、海底隧道、海底电缆等海洋工程设施破坏。目前为止,由于缺乏对海底地震的观测记录,对海底地基场地,尤其是海底局部场地的地震响应研究甚少。基于此背景。本文采用数值模拟方法,对海底边坡场地的地震响应规律进行分析研究,以期为海底边坡稳定性分析提供理论依据。本文建立了考虑海水-多层饱和土-海底基岩的多介质耦合的海底边坡模型,在已有的三种介质耦联系统动力分析有限元方法及海底地震动输入方法的基础上,采用数值模拟的方法,编写了分析地震波斜入射下海底边坡地震动响应的有限元程序,研究了海水深度、入射波入射角度、饱和土孔隙率、海底边坡高度对海底边坡地震响应的影响规律。得出如下结论:1.随着海水深度的增加,位移峰值放大系数增大,坡脚动水压力随着入射波入射频率增大而增大,P波入射时动水压力随海水深度的增大先增大再减小。SV波入射时海水深度的变化对位移放大系数和坡脚动水压力峰值的影响小于P波。2.P波入射时,随着入射波入射角度增大,水平方向位移放大系数逐渐增大,竖向方向位移放大系数先减小再增大。当SV波入射时,竖直方向位移峰值放大系数随着入射波入射角度的增大而增大,水平方向则相反。而坡脚位置动水压力峰值随着入射波入射角度的增大而减小。3.随着饱和土孔隙率的增加,海底边坡位移放大系数逐渐减小,坡脚动水压力峰值随着入射波频率的增大而增大,当入射波频率一定时,坡脚动水压力峰值随着饱和土孔隙率的增大逐渐减小。4.海底边坡坡面上位移放大系数都随着边坡高度的增大而增大。当入射波频率一定时,坡脚动水压力峰值随着海底边坡高度的增大而减小。

关键词：海底边坡地震波斜入射数值模拟有限元法地震响应

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边坡地震动力放大与永久位移分析

边坡地震动力放大与永久位移分析

作者：刘彪中国水利水电科学研究院

学位级别：硕士

在地震发生时,局部场地条件对地震动的振幅和频谱特性有着重要的影响,场地效应可放大或衰减地震地面运动加速度,其中不规则地形的存在可能大大加剧强震运动的灾难性后果。边坡尤其是水利水电工程边坡作为最典型的场地条件之一,对其进行... 详细信息

在地震发生时,局部场地条件对地震动的振幅和频谱特性有着重要的影响,场地效应可放大或衰减地震地面运动加速度,其中不规则地形的存在可能大大加剧强震运动的灾难性后果。边坡尤其是水利水电工程边坡作为最典型的场地条件之一,对其进行地震动力响应分析可以在设计、开挖和维护边坡时提高边坡的抗震性能,具有非常重要的现实意义。本文拟编程对边坡地震动斜输入、地震沿边坡的放大效应等方面内容开展研究,并借助SLUDE软件基于Newmark滑块法对西藏某水电站高边坡进行抗震稳定性分析。主要研究成果如下:(1)构建了基于时域波动分析法的边坡地震输入模型,包括考虑无限地基辐射阻尼的粘弹性边界和地震波输入方法,可进行地震波斜入射边坡的动力放大响应分析。通过编制相应的计算程序实现了对地震波斜入射边坡的数值模拟,算例验证了计算程序具有较高的精度。(2)当P波入射时,坡面和坡顶纵向PGA放大系数随着入射角度的增加先减小后增加,沿高程方向呈现出线性增长的趋势,整体PGA放大系数在0.9～1.4之间。(3)当SV波入射时,随着入射角度的增加坡面和坡顶纵向点PGA放大系数均逐渐增大,且增长速率加快,整体PGA放大系数在0.75～1.6之间。(4)当坡面点高度h小于0.5H时,坡度的改变对坡面地震动力响应的影响并不明显,当坡面点高度h大于0.5H时随着坡度的增加坡面PGA放大系数逐渐加大。P波入射时PGA放大系数大致集中在0.95～1.5之间;SV波入射时PGA放大系数大致集中在0.8～1.7之间。(5)采用Newmark滑块分析方法计算了西藏某水电站高边坡在不同地震峰值加速度作用下的动力反应和永久位移,计算结果表明,在设计地震动作用下该边坡是稳定的,随着地震波幅值的增加该边坡产生的总滑移量也在不断的增加;对于不同类型的地震波,虽然输入的地震峰值加速度相同,但地震动参数的差异会影响边坡产生的永久位移。主要创新性成果如下:(1)以往的研究通常采用地震波垂直入射的方法进行边坡动力响应分析,而且目前在商用计算机程序中还没有实现考虑斜入射的地震输入方法,不能合理地反映输入地震波的相位特征。本文构建了一种基于时域波动分析法的边坡地震输入模型,开展了地震波斜入射对边坡动力放大响应分析。(2)本文推导了平面P波和SV波斜入射时边界节点等效荷载,将其施加于粘弹性边界可实现地震波的外源斜输入,用于精确模拟任意角度的地震波输入。并自主编制计算程序开展了地震波斜入射对边坡动力响应的影响研究,其中模型材料参数和地震波参数都可以根据实际情况进行更改,适用于一般平面问题的有限元动力计算。(3)总结出了斜入射条件下地震沿边坡的放大效应。即当P波斜入射时地震沿坡面的PGA放大系数介于0.95～1.5之间,SV波斜入射时地震沿坡面的PGA放大系数介于0.8～1.7之间。研究发现若采用不计边坡地震动力放大效应的分析方法计算的结果偏于不安全,研究成果可为边坡极限平衡拟静力法中,合理确定地震作用系数提供一定的依据。(4)采用SLIDE软件基于Newmark滑块法对西藏某水电站高边坡进行永久位移分析,将评价边坡稳定性的两个指标(永久位移和安全系数)相联系,可为有关工程单位根据相应的工程等级指标对边坡地震稳定性的判断提供一定的依据。

关键词：边坡粘弹性边界地震波斜入射动力响应 Newmark滑块法永久位移

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地震波作用下土—地下结构动力相互作用分析

地震波作用下土—地下结构动力相互作用分析

作者：梁清华天津城建大学

学位级别：硕士

地下结构,尤其是隧道、地下综合管廊、地铁车站,是现代社会公共基础设施的重要组成部分,但地下结构形势复杂,空间尺度大,安全隐患不易发现且检修维护困难,尤其是沿海沿江地区土质软弱,大中城市地面建筑密集,地下管线系统错综复杂,因此... 详细信息

地下结构,尤其是隧道、地下综合管廊、地铁车站,是现代社会公共基础设施的重要组成部分,但地下结构形势复杂,空间尺度大,安全隐患不易发现且检修维护困难,尤其是沿海沿江地区土质软弱,大中城市地面建筑密集,地下管线系统错综复杂,因此其安全与功能设计显得尤为重要。本文主要采用数值模拟的方法,从粘弹性边界的创新角度,结合使用ABAQUS大型有限元分析软件和MATLAB编程软件,对上述地下结构进行了建模及地震响应分析。具体工作内容和成果包括以下几个方面。(1)地震波斜入射下层状场地中地下综合管廊地震响应分析使用ABAQUS大型有限元分析软件建立了不同场地条件下地下综合管廊分析模型,利用粘弹性人工边界和等效地震荷载时域波动输入方法,结合土层和半空间的精确动力刚度矩阵,实现了地震波斜入射下层状场地地下综合管廊地震反应分析。计算结果显示:地震波倾斜入射条件下,综合管廊结构地震响应与垂直入射时具有显著差异;地下综合管廊动应力集中主要分布在管廊角部、中柱上下端;成层土波速结构变化对地下综合管廊地震反应亦具有显著影响。(2)基于粘性-滑移界面接触模型的半空间隧道衬砌对平面P、SV波的散射运用MATLAB编程软件,基于粘性-滑移模型模拟隧道衬砌和围岩之间的接触状态,采用间接边界积分方程法求解弹性半空间中隧道衬砌对平面P、SV波的散射问题,重点考察了地表位移放大和衬砌动应力集中效应。结果表明:接触滑移边界的刚度系数和粘度系数对隧道衬砌的动应力分布影响较大,滑移刚度较小时,共振频率段动应力集中效果更加显著;随着粘度系数的增大,衬砌内部环向应力幅值逐渐减小。另外,刚度系数和粘度系数对隧道衬砌动力反应的影响程度也受控于入射频率和角度。(3)天津市Z2线地下车站结构地震反应模拟以天津市Z2线轨道交通工程做为案例,在上述土体分层、软弱复杂场地等的研究基础上,考察了基本烈度及大震作用下,天津滨海新区不均匀软土场地地下车站结构的抗震性能、车站结构的应力状态和位移反应、土-车站结构动力相互作用特征。模拟结果可为可液化地基上地铁地下结构的抗震设计提供依据。地下结构地基土的变形是地下结构震害的主要诱因,但大量的数值模拟研究忽略了土层和地下结构之间的粘结问题,导致动力分析时土体与结构之间切向和法向的应力传导失真。地下结构沿线地质条件变化对地下结构的抗震影响较大,当穿越软土层时,对地下结构带来的地震灾害更加严重。

关键词：地下结构抗震综合管廊衬砌隧道粘弹性边界地震波斜入射地下车站

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斜入射SV波对地铁车站地震响应的影响

工程力学 2014年第9期31卷 81-88,103页

作者：黄景琦杜修力田志敏金浏赵密北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京100124 总参工程兵科研四所北京100850

在显式有限元法结合黏弹性人工边界的时域波动方法的基础上,建立了三维平面SV波斜入射的输入方法。半空间算例说明了该文方法具有较好的精度,并基于所建立的斜入射方法研究了地震波斜入射对北宫门地铁车站地震响应的影响。该算例结果表... 详细信息

在显式有限元法结合黏弹性人工边界的时域波动方法的基础上,建立了三维平面SV波斜入射的输入方法。半空间算例说明了该文方法具有较好的精度,并基于所建立的斜入射方法研究了地震波斜入射对北宫门地铁车站地震响应的影响。该算例结果表明:在地震波斜入射情况下,地铁车站的地震响应规律与垂直入射时的情况具有明显差异;斜入射角度对水平加速度响应并不敏感,但对竖向加速度影响较大;斜入射使得车站柱子构件的剪力和轴力明显改变,柱子轴力随着入射角增加而明显增大;边墙控制点的应力状态也受入射角的影响较大,各控制点的第一、第三主应力都出现了随着入射角度增加而增大的规律。在地铁车站等地下结构抗震研究中,应考虑地震波斜入射的影响。

关键词：地震波斜入射 SV波地下结构黏弹性人工边界时域显式有限元

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SV波超临界角斜入射时层状地基地震动输入在ABAQUS中的实现

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工程力学 2021年第4期38卷 200-210页

作者：张季谭灿星叶国涛巴振宁梁建文华东交通大学土木建筑学院江西南昌330013 天津大学建筑工程学院天津300354

有限元数值模拟中,超临界角斜入射SV波作用下层状地基的地震动输入是一个亟待解决的问题。该文采用层状地基频域内精确的动力刚度矩阵(即频域刚度矩阵法)推导了SV波任意角度斜入射下的地震动输入等效节点力计算公式,通过ABAQUS有限元软... 详细信息

有限元数值模拟中,超临界角斜入射SV波作用下层状地基的地震动输入是一个亟待解决的问题。该文采用层状地基频域内精确的动力刚度矩阵(即频域刚度矩阵法)推导了SV波任意角度斜入射下的地震动输入等效节点力计算公式,通过ABAQUS有限元软件模拟SV波斜入射下均匀半空间、层状地基的地震波场,探讨了基于频域刚度矩阵法的层状地基任意角度斜入射地震动输入应用于ABAQUS有限元软件的有效性和准确性。结果表明,采用频域刚度矩阵法可以在ABAQUS中实现层状地基任意角度斜入射SV波地震动输入,且方法具有很高的计算精度,尤其对于SV波超临界角入射情况,有限元数值模拟很好地再现了均匀半空间地表质点的椭圆型运动轨迹和层状地基的行波特点。在此基础上进一步将频域刚度矩阵法与等效线性化方法相结合,解决了考虑土体非线性的层状地基在任意角度平面波入射条件下的地震动输入问题。

关键词：频域刚度矩阵法地震波斜入射地震动输入 SV波临界角等效线性化方法

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基于黏弹性边界的P波斜入射波场分解方法精度比较

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地震工程与工程振动 2020年第2期40卷 177-186页

作者：张梁朱海涛梁建文巴振宁天津大学建筑工程学院天津300072 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室(天津大学) 天津300072

黏弹性人工边界以其概念清晰,稳定性高,精度良好的优点,在地下结构抗震的研究中已经得到了较为广泛的应用。在使用黏弹性边界进行地震动的输入时,需要把地震波转化为模型网格节点上的等效节点力,这个过程就要涉及到波场分解的问题。波... 详细信息

黏弹性人工边界以其概念清晰,稳定性高,精度良好的优点,在地下结构抗震的研究中已经得到了较为广泛的应用。在使用黏弹性边界进行地震动的输入时,需要把地震波转化为模型网格节点上的等效节点力,这个过程就要涉及到波场分解的问题。波场分解的方式可以不同,但不同的波场分解方式会得出精度不同的计算结果,而学界目前尚未就此达成一致。本文在前人研究的基础上,总结了3种地震波斜入射的波场分解方法,编制了相应的Python脚本来实现黏弹性边界和等效节点力的批量施加,并且以不同角度的地震波斜入射为例在同一有限元模型中计算以进行比较研究。结果表明计算精度与波场分解的方式密切相关:在模型边界上考虑的自由场波动叠加越完整,计算结果越精确。

关键词：黏弹性边界地震波斜入射波场分解 Abaqus Python

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不同震源区P波斜入射下高土石坝动力响应分析

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不同震源区P波斜入射下高土石坝动力响应分析

第32届全国结构工程学术会议

作者：王茂华张恺高建勇迟世春中国水利水电科学研究院大连理工大学建设工程学部水利工程学院工程抗震研究所

基于有限元方法,通过结合粘弹性人工边界的时域内波动方法应用于糯扎渡大坝工程,在工程场地附近的四个主要潜在震源区的方向上,研究了P波斜入射下坝体的地震响应规律。计算结果表明:P波斜入射时,不同震源区随着入射角的增加竖向加速度... 详细信息

基于有限元方法,通过结合粘弹性人工边界的时域内波动方法应用于糯扎渡大坝工程,在工程场地附近的四个主要潜在震源区的方向上,研究了P波斜入射下坝体的地震响应规律。计算结果表明:P波斜入射时,不同震源区随着入射角的增加竖向加速度和动位移峰值都逐渐减小,水平向加速度和动位移基本上逐渐增大,坝体的残余变形整体呈现出增大的趋势,都存在一个特征角α=60°,此时坝体的响应最大,但是在数值上不同震源区对坝体的影响具有明显的差异,10号耿马-澜沧震源区对坝体的顺河向地震响应造成的影响较大,11号勐海震源区对于竖向和水平向影响较大。

关键词：潜在震源区地震波斜入射 P波糯扎渡大坝动力响应

来源： cnki会议评论

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直埋管道三通在SV波斜入射下的动力响应

特种结构 2018年第2期35卷 38-43页

作者：黄斯拜陆景慧刘芃李旭东北京市煤气热力工程设计院有限公司北京工业大学建筑工程学院

基于粘弹性人工边界的时域波动方法,利用有限元分析软件ABAQUS实现了三维平面SV波的斜入射,模拟了直埋管道三通的三维地震反应,对比分析了不同入射角下埋地管道的地震反应规律。分析结果表明:埋地管道在地震动作用下,应力与应变的较大... 详细信息

基于粘弹性人工边界的时域波动方法,利用有限元分析软件ABAQUS实现了三维平面SV波的斜入射,模拟了直埋管道三通的三维地震反应,对比分析了不同入射角下埋地管道的地震反应规律。分析结果表明:埋地管道在地震动作用下,应力与应变的较大值主要出现在主管与支管的三通部位;在SV波斜入射情况下,埋地管道的地震响应与垂直入射时有显著差异,管道三通也出现明显不同的应力与应变分布,应力值与应变值也有较大差异;应变与Mises应力的最大值主要出现在埋地三通Y轴方向的上部和下部,随着入射角度的增加,应力、应变值与入射角度呈现正增长的关系。直埋管道三通是结构的薄弱部位。

关键词：地震波斜入射三维直埋管道三通粘弹性人工边界