非一致地震激勵下長隧道多尺度動力分析方法項目摘要

近年長隧道結構震害頻發(fā)，考慮地震動空間非一致性對長隧道地震響應具有較大影響，但傳統(tǒng)方法難以真實反映長隧道的非一致地震響應，對實際存在的多尺度動力問題缺乏研究。本項目以長隧道結構為研究對象，交叉融合隧道動力學、地震工程學及多尺度科學等學科，采用理論分析和數(shù)值模擬相結合的研究方法，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)多尺度原理構造結構多尺度建模方法，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系，推導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的計算穩(wěn)定性條件和收斂準則；采用損傷理論建立混凝土動力損傷本構模型，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構抗震理論和方法，為長隧道結構抗震計算和分析提供科學依據(jù)。

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構的非一致地震響應激勵模擬和實現(xiàn)中。首先，基于并發(fā)多尺度原理構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、介質視波速和行波效應等影響因素，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，引入拉格朗日乘子將不同尺度區(qū)域之間的約束關系，通過能量勢函數(shù)隱含到動力方程中，推導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，提出了用于地下結構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構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構抗震分析中的初步探索，有助于完善我國地下結構抗震理論和方法，具有重要的科學理論價值和創(chuàng)新性。 2100433B

近年長隧道結構震害頻發(fā)，考慮非一致激勵作用對長隧道地震響應具有較大影響，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而難以實現(xiàn)。項目針對長隧道結構的特點，交叉融合隧道動力學、地震工程學及實驗力學等學科，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。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)輸入的轉化，解決非一致地震作用下長隧道結構與環(huán)境介質動力耦合作用的連續(xù)與非連續(xù)地震輸入試驗技術難題；開展長隧道多點多維振動臺模型試驗模擬，揭示長隧道在非一致地震作用下的非線性動力災變機理。項目研究有助于發(fā)展和完善長隧道結構抗震理論和模型試驗方法，為長隧道抗震設計提供科學依據(jù)。

地震傳播的行波效應對長大隧道的動力響應具有重要影響，因此在進行長隧道地震響應機制研究時需考慮非一致激勵的作用效應。項目建立了可以考慮地震波傳播相干效應和地層特征引起的局部場地效應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，推導出模擬基巖面多個離散輸入與連續(xù)輸入的關聯(lián)性，進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)化設計了模型箱的尺寸、剛度、邊界效應等關鍵技術指標，最終構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的對比分析，進一步優(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計理論，提出了以土-結構相對剛度比為控制指標的長大隧道地震響應物理模型的動力相似準則，在考慮結構所處場地特征的情況下合理模擬土-結構動力相互作用關系；開發(fā)了隧道多尺度物理模型和3D打印制作技術，可以模擬長大盾構隧道等復雜拼裝式地下結構。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構考慮地震動空間效應的影響，通過理論分析與振動臺試驗研究，分析了隔震大跨空間結構在多點地震激勵下的地震響應特征。近年來，支座隔震技術逐步應用于空間網(wǎng)格結構，由于隔震層的存在，導致現(xiàn)有計算方法無法適用于隔震結構多點地震激勵下的地震響應分析。項目針對隔震空間網(wǎng)格結構超長、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構響應分析方法，研究隔震網(wǎng)格結構的動力特性和地震響應特征。理論方面，針對隔震結構的非線性問題，重點解決結構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則，實現(xiàn)動力方程的直接求解，并進行算法研究，編制相應的計算程序。試驗研究方面，基于振動臺臺陣模型試驗，研究隔震網(wǎng)格結構多點地震輸入下的動力特性和響應特征，重點考察地震動激勵、支座的剛度和阻尼變化對結構抗震性能的影響，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)值模擬進行參數(shù)分析，建立多點地震激勵下隔震網(wǎng)格結構的實用分析方法。 2100433B