非一致地震激勵下長隧道多尺度動力分析方法結(jié)題摘要

本項目的最大創(chuàng)新之處在于將多尺度理論和方法引入到長隧道結(jié)構(gòu)的非一致地震響應(yīng)激勵模擬和實現(xiàn)中。首先，基于并發(fā)多尺度原理構(gòu)建了長隧道多尺度建模方法和動力分析模型，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，通過能量勢函數(shù)隱含到動力方程中，推導(dǎo)出不同尺度域的動力控制方程；再次，基于中心差分法，采用不同時間步長來求解不同尺度域，提出了用于地下結(jié)構(gòu)多尺度分析的混合時間步算法，可以高效求解所建立的多尺度動力耦合體系；最后，以實際工程為應(yīng)用實例，通過與傳統(tǒng)的位移耦合方法的對比分析，說明了該多尺度方法用于地下結(jié)構(gòu)動力分析的可行性以及對消除高頻波虛假反射的有效性。本項研究是多尺度理論和方法在長隧道結(jié)構(gòu)抗震分析中的初步探索，有助于完善我國地下結(jié)構(gòu)抗震理論和方法，具有重要的科學(xué)理論價值和創(chuàng)新性。 2100433B

近年長隧道結(jié)構(gòu)震害頻發(fā)，考慮地震動空間非一致性對長隧道地震響應(yīng)具有較大影響，但傳統(tǒng)方法難以真實反映長隧道的非一致地震響應(yīng)，對實際存在的多尺度動力問題缺乏研究。本項目以長隧道結(jié)構(gòu)為研究對象，交叉融合隧道動力學(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下長隧道多尺度動力分析方法。開展基于并發(fā)多尺度原理構(gòu)造結(jié)構(gòu)多尺度建模方法，提出考慮地震動非一致性的長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)多尺度動力控制方程；提出長隧道多尺度動力問題的混合時步高效算法，建立與材料非線性等因素相對應(yīng)的計算穩(wěn)定性條件和收斂準(zhǔn)則；采用損傷理論建立混凝土動力損傷本構(gòu)模型，實現(xiàn)考慮損傷劣化特性的非一致地震激勵下長隧道多尺度動力分析。項目研究有助于完善我國地下結(jié)構(gòu)抗震理論和方法，為長隧道結(jié)構(gòu)抗震計算和分析提供科學(xué)依據(jù)。

近年長隧道結(jié)構(gòu)震害頻發(fā)，考慮非一致激勵作用對長隧道地震響應(yīng)具有較大影響，目前研究僅限于數(shù)值分析手段，通過試驗手段模擬長隧道非一致地震激勵輸入因缺乏理論基礎(chǔ)而難以實現(xiàn)。項目針對長隧道結(jié)構(gòu)的特點，交叉融合隧道動力學(xué)、地震工程學(xué)及實驗力學(xué)等學(xué)科，采用離散多點輸入機制理論分析和多點地震模擬振動臺試驗相結(jié)合的研究方法，系統(tǒng)研究非一致地震激勵下長隧道多點多維振動臺模型試驗技術(shù)。包括建立考慮地震動空間非一致性的有效波動輸入方法；建立長隧道離散多點地震動輸入機制理論，研發(fā)可拼裝式節(jié)段模型箱試驗裝置，利用離散多點振動臺輸入實現(xiàn)多點連續(xù)輸入的轉(zhuǎn)化，解決非一致地震作用下長隧道結(jié)構(gòu)與環(huán)境介質(zhì)動力耦合作用的連續(xù)與非連續(xù)地震輸入試驗技術(shù)難題；開展長隧道多點多維振動臺模型試驗?zāi)M，揭示長隧道在非一致地震作用下的非線性動力災(zāi)變機理。項目研究有助于發(fā)展和完善長隧道結(jié)構(gòu)抗震理論和模型試驗方法，為長隧道抗震設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

地震傳播的行波效應(yīng)對長大隧道的動力響應(yīng)具有重要影響，因此在進(jìn)行長隧道地震響應(yīng)機制研究時需考慮非一致激勵的作用效應(yīng)。項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地效應(yīng)等因素的空間非一致地震動輸入方法；確定了多點非一致激勵的地震動輸入?yún)?shù)場及多點非一致激勵場的主要影響。以實際連續(xù)多點地震動輸入機制為基準(zhǔn)，推導(dǎo)出模擬基巖面多個離散輸入與連續(xù)輸入的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)而建立了臺陣式振動臺長大隧道非一致地震激勵原理；研制了節(jié)段型模型箱及其聯(lián)動裝置，并優(yōu)化設(shè)計了模型箱的尺寸、剛度、邊界效應(yīng)等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，最終構(gòu)建出振動臺陣多個獨立臺面分區(qū)多點輸入的非一致激勵隧道地震試驗平臺；通過實際連續(xù)多點輸入和多臺面離散多點輸入下基巖面動力響應(yīng)的對比分析，進(jìn)一步優(yōu)化了非一致地震激勵輸入的離散多點輸入機制；建立了多點振動臺模型動力相似比設(shè)計理論，提出了以土-結(jié)構(gòu)相對剛度比為控制指標(biāo)的長大隧道地震響應(yīng)物理模型的動力相似準(zhǔn)則，在考慮結(jié)構(gòu)所處場地特征的情況下合理模擬土-結(jié)構(gòu)動力相互作用關(guān)系；開發(fā)了隧道多尺度物理模型和3D打印制作技術(shù)，可以模擬長大盾構(gòu)隧道等復(fù)雜拼裝式地下結(jié)構(gòu)。通過空箱試驗和自由場地試驗，驗證了該試驗平臺非一致地震激勵的有效性，可以實現(xiàn)長度10km-級隧道-地層的強震非一致激勵模擬。 2100433B

項目重點研究了大跨隔震結(jié)構(gòu)考慮地震動空間效應(yīng)的影響，通過理論分析與振動臺試驗研究，分析了隔震大跨空間結(jié)構(gòu)在多點地震激勵下的地震響應(yīng)特征。近年來，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)有計算方法無法適用于隔震結(jié)構(gòu)多點地震激勵下的地震響應(yīng)分析。項目針對隔震空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)超長、大跨的特點，基于理論分析與振動臺模型試驗，確定了多點地震激勵下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析方法，研究隔震網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的動力特性和地震響應(yīng)特征。理論方面，針對隔震結(jié)構(gòu)的非線性問題，重點解決結(jié)構(gòu)動力方程中的支座變剛度與非比例阻尼問題，提出剛度和阻尼等效準(zhǔn)則，實現(xiàn)動力方程的直接求解，并進(jìn)行算法研究，編制相應(yīng)的計算程序。試驗研究方面，基于振動臺臺陣模型試驗，研究隔震網(wǎng)格結(jié)構(gòu)多點地震輸入下的動力特性和響應(yīng)特征，重點考察地震動激勵、支座的剛度和阻尼變化對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，并驗證理論模型的合理性。最后基于理論分析與試驗研究，利用數(shù)值模擬進(jìn)行參數(shù)分析，建立多點地震激勵下隔震網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的實用分析方法。 2100433B