場(chǎng)地非線性地震反應(yīng)分析方法及其應(yīng)用研究.pdf

1、地震是全人類共同面臨的一個(gè)災(zāi)害問(wèn)題。中國(guó)和意大利都是地震多發(fā)國(guó)家,同時(shí)也是受地震災(zāi)害影響較為嚴(yán)重的國(guó)家。場(chǎng)地地震反應(yīng)分析是震害估計(jì)和抗震工程領(lǐng)域中的重要內(nèi)容,在工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)中有著舉足輕重的地位。20世紀(jì)60年代后,在大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和強(qiáng)震觀測(cè)資料的基礎(chǔ)上,研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)震作用下土體會(huì)產(chǎn)生大應(yīng)變從而導(dǎo)致非線性。于是,強(qiáng)震作用下土體的非線性特征開始逐漸引起國(guó)際巖土地震工程領(lǐng)域的關(guān)注。如何描述土體在地震荷載作用下的應(yīng)力.應(yīng)變關(guān)系一直是

2、學(xué)術(shù)界關(guān)注的研究課題,土體動(dòng)力本構(gòu)模型的建立也成為土動(dòng)力學(xué)中的前沿課題之一。然而,大多數(shù)非線性本構(gòu)模型中的參數(shù)較多,參數(shù)的確定也較為繁瑣,需要占用大量的計(jì)算機(jī)內(nèi)存,不利于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。而在現(xiàn)有地震反應(yīng)分析程序的實(shí)際應(yīng)用中,相關(guān)參數(shù)的正確選取卻缺乏依據(jù),特別是對(duì)于程序的初學(xué)者以及缺乏經(jīng)驗(yàn)的工程人員更是缺乏相對(duì)比較完善的參考資料和正確的指導(dǎo),通過(guò)不同地震分析程序得到的地震反應(yīng)的正確性和精確度值得商榷。此外,在工程實(shí)踐中,剪切波速度呈逆向分布的

3、特殊場(chǎng)地的研究沒(méi)有得到較好的發(fā)展,這種獨(dú)特的地層特征能夠確定土層隨著深度影響的復(fù)雜動(dòng)力反應(yīng),會(huì)顯著地影響土的表面運(yùn)動(dòng)和內(nèi)部運(yùn)動(dòng)。在土壤的液化,樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和埋入式結(jié)構(gòu)等許多巖土地震工程問(wèn)題中有著實(shí)際意義。
　　 針對(duì)以上問(wèn)題,通過(guò)重慶大學(xué)與羅馬大學(xué)的國(guó)際合作項(xiàng)目,作者在羅馬大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)學(xué)習(xí)期間,基于Giuseppe Lanzo教授等的研究基礎(chǔ),圍繞場(chǎng)地非線性地震反應(yīng),主要做了以下幾個(gè)方面的研究工作:
　　 ①場(chǎng)地地震反應(yīng)分

4、析的理論研究。論述了場(chǎng)地非線性研究方法、分析模型和非線性特性方面的研究現(xiàn)狀,總結(jié)了場(chǎng)地地震反應(yīng)分析中土體動(dòng)力本構(gòu)模型,反應(yīng)分析方法和數(shù)值程序?qū)嶋H應(yīng)用中存在的主要問(wèn)題和不足?？偨Y(jié)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在場(chǎng)地非線性特性方面的研究,場(chǎng)地非線性反應(yīng)分析的模型和分析方法,針對(duì)土層對(duì)地震波的放大作用,重新推導(dǎo)了地震作用下的土層放大函數(shù)。介紹了場(chǎng)地地震反應(yīng)的現(xiàn)行分析方法,即頻域分析和時(shí)域分析中的等效線性化方法和非線性方法,闡述了各自的原理,并對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)

5、進(jìn)行評(píng)述和對(duì)比。
　　 ②提出了基于雙曲正切函數(shù)的土動(dòng)力非線性本構(gòu)模型。主要針對(duì)已有本構(gòu)模型參數(shù)較多,各參數(shù)確定比較繁瑣,不利于實(shí)際應(yīng)用,且有時(shí)模型出現(xiàn)的不合理情況,從土體本構(gòu)模型的一般構(gòu)造原則出發(fā),基于簡(jiǎn)單的雙曲正切函數(shù),根據(jù)其函數(shù)圖像性質(zhì)和具有雙漸近線特征,通過(guò)函數(shù)的平移和縮放原則推導(dǎo)了土體非線性本構(gòu)模型的骨架曲線和滯回曲線的雙曲正切表達(dá)式,構(gòu)造出基于雙曲正切函數(shù)的土體動(dòng)力本構(gòu)模型,并把通過(guò)該模型得出的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行

6、擬合。同時(shí),基于該非線性本構(gòu)模型,采用直接積分的數(shù)值算法,編制了場(chǎng)地非線性地震反應(yīng)分析程序,并將該程序應(yīng)用于場(chǎng)地地震反應(yīng)分析中,進(jìn)行可行性論證。
　　 ③應(yīng)用頻域和時(shí)域分析方法對(duì)場(chǎng)地地震反應(yīng)進(jìn)行計(jì)算分析。采用粘滯阻尼假定,詳細(xì)探討了時(shí)域分析中的幾種Rayleigh阻尼矩陣形式。并通過(guò)國(guó)際巖土工程界廣泛使用的五種數(shù)值分析程序,研究了怎樣由Rayleigh阻尼表達(dá)式中由粘滯阻尼系數(shù),即控制頻率形成阻尼矩陣的問(wèn)題,并以頻域分析的結(jié)果作

7、為精確解,對(duì)各程序的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,對(duì)實(shí)際應(yīng)用中不同程序相關(guān)參數(shù)的合理選取進(jìn)行了歸納總結(jié),提出相關(guān)建議。
　　 ④實(shí)際中的土層都是置于彈性基巖之上,但是在數(shù)值計(jì)算中又常常假定基巖為剛性的。為了檢驗(yàn)地震波的兩種輸入方式在不同計(jì)算軟件中的精度和準(zhǔn)確性,對(duì)半空間不同基底類型上的均質(zhì)粘土層進(jìn)行地震反應(yīng)分析,討論了不同數(shù)值計(jì)算程序中采用不同基巖假定的合理性,及所求出地震反應(yīng)的準(zhǔn)確性。
　　 ⑤針對(duì)意大利中南部地區(qū)許多歷史古跡中心

8、具有剪切波速度逆向分布土層的特殊古跡場(chǎng)地,建立理想分析模型,并從意大利強(qiáng)震數(shù)據(jù)記錄庫(kù)SISMA中精選6組實(shí)測(cè)地震加速度記錄作為輸入地震動(dòng),結(jié)合不同土層剖面組合,通過(guò)改變不同土層的幾何及力學(xué)參數(shù),分析了該類型場(chǎng)地的地震反應(yīng)。分析結(jié)果表明,土層的剪切波速度是確定土層地震反應(yīng)的首要影響因素,兩種不同性質(zhì)土層的其接觸面是薄弱面,在地震動(dòng)作用下會(huì)產(chǎn)生很大的剪切應(yīng)變。
　　 通過(guò)本文的研究,形成了新的場(chǎng)地地震非線性反應(yīng)分析方法,同時(shí)對(duì)已有數(shù)