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考虑波传播特点的地震动场及工程应用

何卫平  
【摘要】:对于大跨度结构,受到震源、传播介质和场址特征的影响,场址附近的地震动具有空间差异性。合理描述地震动的空间变化、研究结构在非一致地震动场作用下的地震响应,成为现阶段工程结构地震安全性评价中的重要研究课题。在前一个问题上,本文致力于在已知某测点地震动前提下,构建场址小范围内能反映实际地震波传播特点的地震动场;在后一个问题上,以非一致地震动场模型为基础,以重力坝为例研究了非一致地震动场对结构地震响应和破坏模式的影响,并探讨引起地震动非一致性的因素中对结构响应和破坏的有利因素和不利因素。在两个问题间起桥梁作用的非一致地震动输入方式问题,本文重点探讨了位移与加速度两种输入方式的异同,研究了阻尼对两种输入方式结果差异的影响,并结合重力坝与Rayleigh阻尼,探讨了位移输入方式的适用条件。本文主要内容和结论如下。本文首先研究了在采用场址地震动反映震源和传播途径对场址总体影响前提下,场址小范围内地震动场构建问题。结合问题特点作出简化,首先是在场址地震动己知的前提下,认为场址地形地质特点是对地震动非一致性起主要影响的因素;其次是在强震影响的大范围内,认为场址小范围内的地震波可视为平面波;最后,考虑到SH波的相对独立性,将问题集中在P波和SV波所在的平面进行研究。在讨论了成层地基对地震波传播特点的影响,指出在单一波型深部地震波基础上,成层地基内地震动构成满足:每个层面内的P波/SV波在叠加后可视为单一P波/SV波;层面之间的P波/SV波具有不同的波形。结合工程应用,提出了一种以地面测点地震动分解获得顶部层面内斜入射P波和SV波,进而获得顶部层面内非一致地震动场的方法。为在地震动场构建中考虑地震波的幅值变化因素,在地震动实测资料揭示的空间点地震动不同频率的相关性关系基础上,引入波的影响距离和临界幅值来得到临界频率。在临界频率以下部分,引入地震学中常用的介质品质因子来表示地震波在传播过程中的衰减;在临界频率以上保持高频成分不变,完成了考虑幅值变化的地震动场构建。最后以SMART 1台阵实测数据为依据,验证本文所提出的地震动场模型能在一定程度上反映实测地震动的空间变化。为实现非一致地震动场的输入,对比了加速度输入、大质量法输入、大刚度法输入和位移输入等方式的异同。在这些输入方式中,位移输入方式不需修改模型特性,且不需对结构刚度矩阵求逆即可完成地震动输入,适合工程应用。考虑到目前关于位移与加速度输入方式差异研究的结论并不一致,本文在一致输入的基础上,通过理论分析和单自由度体系算例,对地震动的位移和加速度输入方式之间的差异进行探讨。指出在位移输入方式平衡方程中忽略的阻尼项激励-Csbub会给位移输入方式带来额外的误差。在考虑阻尼激励项的位移输入基础上,加速度输入与位移输入虽然基于不同的平衡方程,但在不考虑阻尼或仅考虑阻尼的刚度比例部分时,两种输入方式是等价的;在只考虑阻尼的质量比例部分时,位移输入方式由于考虑了阻尼和地面运动速度项共同决定的额外激励-Cssug,会产生与加速度输入方式不同的计算结果;而Rayleigh阻尼由质量比例部分和刚度比例部分共同确定,因此两种输入方式的差异要小于单独采用质量比例阻尼时。最后以重力坝结合Rayleigh阻尼,探讨了位移输入方式在何种情况下适用于工程结构的地震响应分析。以重力坝为例研究了地震动非一致输入对结构地震响应的影响。结果显示,受到重力坝体型和结构整体性的影响,非一致输入对重力坝响应规律影响较小,但对坝踵、坝趾和上、下游折坡处应力极值和大值分布区域影响较大。与一致输入相比,非一致输入造成建基面运动高频成分的增加,通常会引起坝体响应的增加。对时滞、入射角度、幅值变化等的研究结果说明,时滞和sV波入射角度通常会带来建基面运动的减弱,幅值变化则会显著增加建基面运动,而P波入射角度的变化带来的影响较复杂。在坝体主应力响应方面,时滞会带来坝体主应力响应的减小,且随着时滞的增加,响应的减小幅度逐渐增加。入射角度对重力坝的影响较复杂,P波在小角度入射时,入射角度变化带来的主应力响应变幅较小,而在入射角度超过45。后,会引起坝体主应力响应的显著增大;对于SV波,一般情况下,入射角度的增大会导致坝体主应力响应的减小。幅值变化则会带来重力坝主应力响应的显著增加。在重力坝破坏模式方面,考虑地震输入非一致性后,坝体的裂纹区仍然主要集中在坝踵和上下游折坡处,且可能的破坏模式仍然由上下游折坡处的裂纹扩展所控制。受到非一致输入增加的高频成分影响,重力坝在上下游折坡处的裂纹发展规律和结构的地震极限承载能力可能产生变化。在考虑地震动场非一致性的重力坝地震分析中,单独考虑时滞可能会低估重力坝地震响应,对结构抗震安全不利。综合考虑时滞、波的入射条件以及幅值变化是更合理的选择。而评估场地可能产生的幅值变化对重力坝的地震响应、地震承载能力和可能的破坏模式具有重要影响。


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