非一致地震激勵(lì)下長(zhǎng)隧道多尺度動(dòng)力分析方法

本項(xiàng)目的最大創(chuàng)新之處在于將多尺度理論和方法引入到長(zhǎng)隧道結(jié)構(gòu)的非一致地震響應(yīng)激勵(lì)模擬和實(shí)現(xiàn)中。首先，基于并發(fā)多尺度原理構(gòu)建了長(zhǎng)隧道多尺度建模方法和動(dòng)力分析模型，綜合考慮地震波頻譜、介質(zhì)視波速和行波效應(yīng)等影響因素，建立了考慮地震動(dòng)非一致性的模型空間有效離散化方法；其次，以橋域耦合理論為基礎(chǔ)，引入拉格朗日乘子將不同尺度區(qū)域之間的約束關(guān)系，通過(guò)能量勢(shì)函數(shù)隱含到動(dòng)力方程中，推導(dǎo)出不同尺度域的動(dòng)力控制方程；再次，基于中心差分法，采用不同時(shí)間步長(zhǎng)來(lái)求解不同尺度域，提出了用于地下結(jié)構(gòu)多尺度分析的混合時(shí)間步算法，可以高效求解所建立的多尺度動(dòng)力耦合體系；最后，以實(shí)際工程為應(yīng)用實(shí)例，通過(guò)與傳統(tǒng)的位移耦合方法的對(duì)比分析，說(shuō)明了該多尺度方法用于地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的可行性以及對(duì)消除高頻波虛假反射的有效性。本項(xiàng)研究是多尺度理論和方法在長(zhǎng)隧道結(jié)構(gòu)抗震分析中的初步探索，有助于完善我國(guó)地下結(jié)構(gòu)抗震理論和方法，具有重要的科學(xué)理論價(jià)值和創(chuàng)新性。 2100433B

近年長(zhǎng)隧道結(jié)構(gòu)震害頻發(fā)，考慮地震動(dòng)空間非一致性對(duì)長(zhǎng)隧道地震響應(yīng)具有較大影響，但傳統(tǒng)方法難以真實(shí)反映長(zhǎng)隧道的非一致地震響應(yīng)，對(duì)實(shí)際存在的多尺度動(dòng)力問(wèn)題缺乏研究。本項(xiàng)目以長(zhǎng)隧道結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，交叉融合隧道動(dòng)力學(xué)、地震工程學(xué)及多尺度科學(xué)等學(xué)科，采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，系統(tǒng)研究非一致地震激勵(lì)下長(zhǎng)隧道多尺度動(dòng)力分析方法。開(kāi)展基于并發(fā)多尺度原理構(gòu)造結(jié)構(gòu)多尺度建模方法，提出考慮地震動(dòng)非一致性的長(zhǎng)隧道多尺度模型的有效離散化方法；建立不同尺度域間的約束關(guān)系，推導(dǎo)多尺度動(dòng)力控制方程；提出長(zhǎng)隧道多尺度動(dòng)力問(wèn)題的混合時(shí)步高效算法，建立與材料非線性等因素相對(duì)應(yīng)的計(jì)算穩(wěn)定性條件和收斂準(zhǔn)則；采用損傷理論建立混凝土動(dòng)力損傷本構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)考慮損傷劣化特性的非一致地震激勵(lì)下長(zhǎng)隧道多尺度動(dòng)力分析。項(xiàng)目研究有助于完善我國(guó)地下結(jié)構(gòu)抗震理論和方法，為長(zhǎng)隧道結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算和分析提供科學(xué)依據(jù)。

近年長(zhǎng)隧道結(jié)構(gòu)震害頻發(fā)，考慮非一致激勵(lì)作用對(duì)長(zhǎng)隧道地震響應(yīng)具有較大影響，目前研究?jī)H限于數(shù)值分析手段，通過(guò)試驗(yàn)手段模擬長(zhǎng)隧道非一致地震激勵(lì)輸入因缺乏理論基礎(chǔ)而難以實(shí)現(xiàn)。項(xiàng)目針對(duì)長(zhǎng)隧道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，交叉融合隧道動(dòng)力學(xué)、地震工程學(xué)及實(shí)驗(yàn)力學(xué)等學(xué)科，采用離散多點(diǎn)輸入機(jī)制理論分析和多點(diǎn)地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，系統(tǒng)研究非一致地震激勵(lì)下長(zhǎng)隧道多點(diǎn)多維振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)技術(shù)。包括建立考慮地震動(dòng)空間非一致性的有效波動(dòng)輸入方法；建立長(zhǎng)隧道離散多點(diǎn)地震動(dòng)輸入機(jī)制理論，研發(fā)可拼裝式節(jié)段模型箱試驗(yàn)裝置，利用離散多點(diǎn)振動(dòng)臺(tái)輸入實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)連續(xù)輸入的轉(zhuǎn)化，解決非一致地震作用下長(zhǎng)隧道結(jié)構(gòu)與環(huán)境介質(zhì)動(dòng)力耦合作用的連續(xù)與非連續(xù)地震輸入試驗(yàn)技術(shù)難題；開(kāi)展長(zhǎng)隧道多點(diǎn)多維振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)?zāi)M，揭示長(zhǎng)隧道在非一致地震作用下的非線性動(dòng)力災(zāi)變機(jī)理。項(xiàng)目研究有助于發(fā)展和完善長(zhǎng)隧道結(jié)構(gòu)抗震理論和模型試驗(yàn)方法，為長(zhǎng)隧道抗震設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

地震傳播的行波效應(yīng)對(duì)長(zhǎng)大隧道的動(dòng)力響應(yīng)具有重要影響，因此在進(jìn)行長(zhǎng)隧道地震響應(yīng)機(jī)制研究時(shí)需考慮非一致激勵(lì)的作用效應(yīng)。項(xiàng)目建立了可以考慮地震波傳播相干效應(yīng)和地層特征引起的局部場(chǎng)地效應(yīng)等因素的空間非一致地震動(dòng)輸入方法；確定了多點(diǎn)非一致激勵(lì)的地震動(dòng)輸入?yún)?shù)場(chǎng)及多點(diǎn)非一致激勵(lì)場(chǎng)的主要影響。以實(shí)際連續(xù)多點(diǎn)地震動(dòng)輸入機(jī)制為基準(zhǔn)，推導(dǎo)出模擬基巖面多個(gè)離散輸入與連續(xù)輸入的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)而建立了臺(tái)陣式振動(dòng)臺(tái)長(zhǎng)大隧道非一致地震激勵(lì)原理；研制了節(jié)段型模型箱及其聯(lián)動(dòng)裝置，并優(yōu)化設(shè)計(jì)了模型箱的尺寸、剛度、邊界效應(yīng)等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，最終構(gòu)建出振動(dòng)臺(tái)陣多個(gè)獨(dú)立臺(tái)面分區(qū)多點(diǎn)輸入的非一致激勵(lì)隧道地震試驗(yàn)平臺(tái)；通過(guò)實(shí)際連續(xù)多點(diǎn)輸入和多臺(tái)面離散多點(diǎn)輸入下基巖面動(dòng)力響應(yīng)的對(duì)比分析，進(jìn)一步優(yōu)化了非一致地震激勵(lì)輸入的離散多點(diǎn)輸入機(jī)制；建立了多點(diǎn)振動(dòng)臺(tái)模型動(dòng)力相似比設(shè)計(jì)理論，提出了以土-結(jié)構(gòu)相對(duì)剛度比為控制指標(biāo)的長(zhǎng)大隧道地震響應(yīng)物理模型的動(dòng)力相似準(zhǔn)則，在考慮結(jié)構(gòu)所處場(chǎng)地特征的情況下合理模擬土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用關(guān)系；開(kāi)發(fā)了隧道多尺度物理模型和3D打印制作技術(shù)，可以模擬長(zhǎng)大盾構(gòu)隧道等復(fù)雜拼裝式地下結(jié)構(gòu)。通過(guò)空箱試驗(yàn)和自由場(chǎng)地試驗(yàn)，驗(yàn)證了該試驗(yàn)平臺(tái)非一致地震激勵(lì)的有效性，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度10km-級(jí)隧道-地層的強(qiáng)震非一致激勵(lì)模擬。 2100433B

項(xiàng)目重點(diǎn)研究了大跨隔震結(jié)構(gòu)考慮地震動(dòng)空間效應(yīng)的影響，通過(guò)理論分析與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，分析了隔震大跨空間結(jié)構(gòu)在多點(diǎn)地震激勵(lì)下的地震響應(yīng)特征。近年來(lái)，支座隔震技術(shù)逐步應(yīng)用于空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，由于隔震層的存在，導(dǎo)致現(xiàn)有計(jì)算方法無(wú)法適用于隔震結(jié)構(gòu)多點(diǎn)地震激勵(lì)下的地震響應(yīng)分析。項(xiàng)目針對(duì)隔震空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)、大跨的特點(diǎn)，基于理論分析與振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，確定了多點(diǎn)地震激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析方法，研究隔震網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和地震響應(yīng)特征。理論方面，針對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的非線性問(wèn)題，重點(diǎn)解決結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程中的支座變剛度與非比例阻尼問(wèn)題，提出剛度和阻尼等效準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力方程的直接求解，并進(jìn)行算法研究，編制相應(yīng)的計(jì)算程序。試驗(yàn)研究方面，基于振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣模型試驗(yàn)，研究隔震網(wǎng)格結(jié)構(gòu)多點(diǎn)地震輸入下的動(dòng)力特性和響應(yīng)特征，重點(diǎn)考察地震動(dòng)激勵(lì)、支座的剛度和阻尼變化對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，并驗(yàn)證理論模型的合理性。最后基于理論分析與試驗(yàn)研究，利用數(shù)值模擬進(jìn)行參數(shù)分析，建立多點(diǎn)地震激勵(lì)下隔震網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的實(shí)用分析方法。 2100433B