大型渡槽抗震

1、二、結(jié)構(gòu)與地基動力相互作用問題早期的結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)分析是基于剛性地基假定進(jìn)行的，這 一假定忽略了地基的變性影響，在堅硬地基上的柔性結(jié)構(gòu)物尚可 行，但在涉及大型渡槽、高壩、大型橋梁、核電站等時，由于結(jié) 構(gòu)整體剛度、跨度以及重量很大，特別地基較柔軟時，剛性地基 的假定顯然不合理。此時，需要考慮結(jié)構(gòu)與地基動力相互作用的 問題。研究結(jié)構(gòu)與地基動力相互作用，一個關(guān)鍵問題是無限地基 的模擬。最簡單的方法是Clough（1980）提出的無質(zhì)量地基模型， 并截取一定范圍的無質(zhì)量地基，并沿基底均勻地輸入地震波，其 實質(zhì)相當(dāng)于在結(jié)構(gòu)與地基接觸面上施加一組彈簧。這一模型由于 對問題處理方法簡單至今仍被廣泛采用。但是，

2、該模型考慮無限 地基輻射阻尼的影響，也無法反應(yīng)結(jié)構(gòu)與地基接觸面上地震輸入 的不均勻性。模擬無限地基的一個重要方法是邊界元法。較早應(yīng)用有限 元與邊界元耦合方法分析結(jié)構(gòu)與地基動力相互作用的學(xué)者有 Chopra 等（1992）、Dominguez 等（1992）、Mackerle（1996）。張 楚漢等（1996）提出采用有限元邊界元無限邊界元耦合 方法研究無限地基的輻射阻尼效應(yīng)，并采用子結(jié)構(gòu)方法求解耦合 系統(tǒng)的運動方程。在采用邊界元、無限邊界元方法進(jìn)行分析時， 無限地基對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響是采用地基的動力剛度來表示的，無限邊界元用來模擬遠(yuǎn)場地基，以減少離散范圍并反映地基 的無限性。在邊界元法中，輻

3、射條件在其基本解里自動精確滿足， 因而這一方法具有較高的精度。但是由于動力剛度是頻率的函 數(shù)，原則上講，這一方法僅適合于頻域分析。實際應(yīng)用中常將頻 率中的地基動力剛度經(jīng)曲線擬合法轉(zhuǎn)換成時域三參數(shù)模型，然后 再將此三參數(shù)模型與結(jié)構(gòu)有限元模型相耦合，在時域中求解。近年來，采用直接法研究結(jié)構(gòu)與地基的動力相互作用問題 得發(fā)展。所謂直接法，是指將結(jié)構(gòu)、地基及其周圍的部分無界土 （即近場區(qū)）用有限元法或有限差分法離散，并引入局部人工邊 界模擬近場區(qū)與外部無限區(qū)之間波動能量的變換。在直接法中，無限地基的模擬是通過截取一定范圍的地基 并設(shè)置局部人工邊界來實現(xiàn)的。近幾十年來，已有多種形式的人 工邊界被提出，例如

4、：Lysmer等（1969）提出的粘性阻尼邊界 以及Lysmer（1978）隨后加以改進(jìn)而成的與頻率無關(guān)的的近似 阻尼邊界、White等（1977）提出的統(tǒng)一邊界、Smith等（1972） 提出的協(xié)調(diào)邊界、Clayton等（1977）與Engquist等（1977）提 出的旁軸近似邊界、廖振鵬等（1982,1984）提出的透射邊界等。 各種邊界條件都有其優(yōu)缺點（Givoli,1991），但所有邊界條件都 為力求能夠更好使各角度的入射波在邊界上完全透射，即無反 射。透射理論及多次透射公式（Multi-Transmitting Formula,簡記 為MTF）是基于各種單側(cè)波動的一般過程建立的（廖

5、振鵬，2002）， 這一邊界條件可以不加以修改地用于由各種運動微分方程與實際邊界條件控制的二維和三維波動問題，特別是與有限元方法相 結(jié)合，在解決近場波動問題中十分有效。2.4場地地震反應(yīng)分析場地地震反應(yīng)分析是確定工程場地設(shè)計地震動的另一個重 要環(huán)節(jié)。在場地地震反應(yīng)分析中，若局部范圍內(nèi)地面、土層界面 及其巖血較平坦時，可采用一維分析模型進(jìn)行；若土層界面、基 巖血或地表起伏較大時，則采用二維或者三維分析模型，此時， 常采用有限元分析方法求解，并設(shè)置人工邊界(詳見第三章)。 在地震安全評估中，實用較為普遍的是一維分析模型(李小軍， 1989,1992)。場地地震反應(yīng)分析中應(yīng)考慮土體動力性能的影響。土

6、樣動 力性能試驗結(jié)果表明，土體在循環(huán)荷載作用下表現(xiàn)出非線性特 性。在一維模型中，土體的非線性特性是采用等效線性化波動法 間接考慮的。以下對非線性土層地震反映一維分析模型中涉及的幾個問 題進(jìn)行介紹：一、基巖內(nèi)輸入地震波的確定地震危險性分析給出了基巖自由表面地震加速度時程 七(t)，考慮到自由地面的放大效應(yīng)，基巖內(nèi)豎直向上入射的剪 切波加速度為，、1，、,氣(t) 2a (t)(2.4.1)二、暫態(tài)輸入波的轉(zhuǎn)換暫態(tài)輸入波的轉(zhuǎn)換是指將基巖內(nèi)輸入的暫態(tài)波轉(zhuǎn)換為穩(wěn)態(tài) 波，常采用離散傅里葉變換方法。首先，將暫態(tài)過程。用周期為T的時間函數(shù)a(t)替換， i即a(t) = a(t 土 nt) = a,(t)(

7、 n =0,1,2,，0 t yE)f (0)dBdA Ai ,M jii4 i j(2.2.4)式中，Y為地震動參數(shù)或者地震烈度；y為給定的地震動參數(shù)值 或地震烈度值；P(Y y)為地震動參數(shù)或者地震烈度大于等于某 一給定值的概率；七 為震級分檔檔數(shù)；n為潛在震源區(qū)總數(shù)； A.為第i個潛在震源區(qū)的面積(單位：km 2)； v為第i個震源 區(qū)、第j個震級檔地震年平均發(fā)生率，vw =匕3，匕為,j j , jj地震帶內(nèi)第j個震級檔的地震年平均發(fā)生率,f 為第i個潛在震 I叫源區(qū)、第j個震級檔的地震年平均發(fā)生率的權(quán)函數(shù)；p(Y y|E) 為第i個潛在震源區(qū)內(nèi)發(fā)生所考慮的地震時場地地震動參數(shù)或地 震

8、烈度超過某一給定值的概率；f (o )為第i個潛在震源區(qū)的方向 i性函數(shù)，0為可能的主破裂方向。在概率法計算中，衰減關(guān)系不確定性可按下式進(jìn)行：p(Y y) = j + 匏 p(Y y f (s)dE(2.2.5)-kb式中，k為常數(shù)，可取3；。為衰減關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)差；為回歸分 析中不確定性的隨機變量；f （ ）為的概率密度函數(shù)。目前，國際上編制的區(qū)劃圖大多采用概率法。從一般工業(yè) 和民用建筑到大型工程（如大壩電站、海洋平臺、核電工程廠址）， 概率法的應(yīng)用十分普遍，盡快如此，概率法本身還有不夠完善的 地方，如對地震空間分布的不均性考慮不夠、地震發(fā)生的泊松分 布假定沒有反映地震發(fā)生過程的非平穩(wěn)性、不能反應(yīng)特征性地