《上海软土地震响应的振动台模型试验及其三维数值拟合分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《上海软土地震响应的振动台模型试验及其三维数值拟合分析（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1上海软土地震响应的振动台模型试验及 其三维数值拟合分析摘 要:对上海典型软土地铁车站结构振动台模型中的自由场振动台模型试验建立了三维计算模型,包括计算范围的确定,材料本构模型的选取,动力边界条件的选用以及地震波的输入等 4 个方面。用该模型对自由场振动台模型试验进行了三维的拟合分析,并将计算结果与实测结果以及二维拟合分析结果进行了比较分析,表明三者吻合较好。说明该计算模型可用来模拟模型土的动力特性,可为建立上海软土三维地震响应的计算方法提供基础。关键词:振动台模型试验;计算模型;上海软土;本构模型;动力边界条件0 引言近十多年来,随着地下工程数量的增多和地下结构震害的频繁出现,尤其是受到神户
2、地震的启示, 人们对地下结构的抗震能力有了新的认识,并加强了对地下结构建立抗震设计理论与方法的研究。历史上发生的大震表明,软土会放大地震的破坏作用,故对于软土地层厚达250300m 的上海地区开展建立地下铁道抗震设计的分析理论和设计方法的研究具有更重要的意义。张雄1等在时间域内研究了土-地下结构相互作用体系的三维地震响应;AKIRA2等采用静态有限元法研究了地下结构的的地震响应。国内学者也加强了对地下结构的抗震性能的研究。马险峰3等在国内较早、也较详细的对地下结构的震害进了调查和研究,为建立地下结构的抗震计算理论和方法提供了基础;陈国兴4等采用子结构法分析了地铁车站结构的地震;张鸿5等分析了地
3、铁隧道的非线性地震响应。2杨林德教授进行了上海软土地区典型地铁车站结构振动台模型试验。该模型试验包括两部分:自由场振动台模型试验和典型地铁车站结构振动台模型试验。前者主要用于模拟自由场地土层的地震反应,以及确定模型箱的工作性能,为进行典型地铁车站结构振动台模型试验提供前提条件;后者则主要用于了解地铁车站与土共同作用时地震动响应的规律与特征。根据模型试验结果,杨超6和刘齐建7在平面应变假设的基础上研究了上海软土地区地铁车站结构地震响应的计算方法。本文拟对自由场振动台模型试验建立三维计算模型,对其进行三维数值拟合分析,为建立上海软土三维地震响应的数值计算方法奠定基础。1 自由场振动台模型试验1.1
4、 试验概况自由场振动台模型试验8模型箱装置如图 1 所示,为由美国 MTS 公司生产的三向电液伺服驱动地震模拟振动台。台面尺寸为 4.0m4.0m;最大承载为 15t;振动方式为 X、Y、Z 三向六自由度;频率范围为 0.150Hz;台面最大加速度为:X 向1.2g、Y 向 0.8g、Z 向 0.7g。模型箱为高 1.2m 的中空长方体,沿振动方向净长 3.0m,垂直于振动方向净宽 2.5m,箱中土体高度 1m。在模型土表面和中部设置了 16 个加速度传感器,用 A 表示(图 2);并在模型土与箱壁的接触面上布设了 4 个动土压力传感器,以 P 表示。试验采集到的信息为模型土和模型箱的加速度值
5、以及模型土与模型箱之间的接触压力值。1.2 模型土的选择与配制3模型土的性能难于在各个方面都与原状土相似,故试验中力求在最大动剪切模量值和动剪切模量与动应变间关系曲线的变化规律两方面使模型土与原状土尽量相似。本次试验用来制作模型土的材料选取为褐黄色粉质粘土,原因主要有:(1)这类粘土在上海市区的地表浅层内普遍存在,获取方便,(2)这类粘土干燥时强度较高,遇水后可迅速软化,易于通过调整含水率及密实度使其特性满足对模型土配制的要求。2 计算模型2.1 计算区范围的确定计算区范围与模型箱尺寸一致。模型土长 3.35m(激振方向,含两侧泡沫塑料板厚各 175mm),宽 2.5m,深 1.0m,采用实体
6、单元对模型土和塑料板划分三维有限差分网格,如图 3 所示。2.2 材料本构模型的选取对重塑土进行动力试验9表明上海软土的动应力应变关系遵循“应变软化”规律:动剪切模量随动剪应变的增加而降低,阻尼比则随动剪应变的增加而增加,其关系可用 Davidenkov 模型描述为其中:A、B 和 r 为拟合常数;r 亦为参考剪应变,d 为瞬时动剪应变;Gd 和 为瞬时的动剪切模量和阻尼比;Gmax 和 max 为最大动剪切模量和最大阻尼比。本次试验选取褐黄色粉质粘土作为制作模型土的原料。Davidenkov 模型参数由试验确定8,见表 1。其泊松比为 0.4,密度为 1760kg/m3;试验8测得泡沫塑料板
7、的动弹性模量为 4.13MPa,密度 15kg/m3,泊松比 0.4,泡沫塑料板选用弹性模型。42.3 边界条件由于在激振过程中模型箱的刚度较大,其变形可忽略不计,可认为侧向和底部边界在水平方向上的加速度始终与台面输入的试验波一致。因而计算时所采取的动力边界条件为:沿激振方向在模型四个侧面与底面同时施加与振动台台面输入加速度一致的加速度边界;模型底面为竖向固定的边界;顶面为自由变形的边界。2.4 荷载输入试验选取三种地震波作为振动台台面输入波,试验加载制度见表 2。试验采用单向输入激励,在模型底部输入台面波。3 计算结果与分析鉴于自由场振动台模型试验中,用于接受激振响应信息的传感器主要是加速度
8、传感器,因此本文仅分析加速度响应规律。3.1 加速度放大系数将测点加速度反应的峰值与振动台台面输入的峰值之比定义为加速度反应的放大系数。各加载工况下,土体表面测点 A3 和一半深度处测点 A25 的二维6、三维数值模拟计算结果列于表 3 和表 4,测点布置图见图 2。从表 3、4 可以看出:大部分工况下三维计算结果与二维计算结果以及试验结果均吻合较好,相对误差均在 10%之内,表明提出的计算方法能较好的模拟模型土的动力响应规律。仅在 El-9 和 SH-10 两种工况时二维和三维的计算结果与试验结果有一定的误差,原因可能是地震动输入峰值过大,土的剪切模量衰减较大,从而使得试验过程中土实际的应力
9、应变关系曲线偏离所采用的 Davidenkov 模型曲线较大。5此外还可看出三维的计算结果大于二维,二维的计算结果大于试验。3.2 加速度反应时程与富氏谱图 4、5 分别为 SH-3 工况下测点 A25 的加速度时程曲线及其富氏谱的计算结果与实测结果。由图可见计算结果的波形、幅值与试验结果均基本吻合,两者在各频段的频率组成也基本一致,也表明文中的计算方法能较好的模拟模型土的加速度响应规律。4 结语本文对在同济大学进行的上海软土地区地铁车站结构振动台模型试验的自由场振动台试验建立了三维计算模型,分自由场振动台模型试验进行了三维数值拟合分析,得到了模型土的加速度响应规律及模型土与模型箱之间的动土压
10、力,计算结果与实测结果以及按二维模型计算的结果吻合较好,表明本文建立的三维计算模型能较好的模拟模型土的动力特性,为建立计算上海软土三维地震响应的计算方法奠定了基础。对三维计算方法的研究将另文介绍。参考文献 1ZHANGX,et.Three-dimensionaldynamicsoil-structurein- teractionanalysisinthetimedomainJ.StructuralEngineer- ingEarthquakeEngineering,1999,116(28):1501-1524. 2AKIRAT.Astudyonseismicanalysismethodsint
11、hecross sectionofundergroundstructuresusingstaticfiniteelement methodJ.StructuralEngineeringEarthquakeEngineer-ing,2005,122(1):41-53.3马险峰.地下结构的震害研究D.同济大学,2000.4陈国兴,庄海洋,史国龙.地铁车站结构地震反应分析的子结构法J.防灾减灾工程学报,2004,24(4):396-401.5张鸿,毕继红,张伟.地铁隧道地震反应非线性分析J.地震工程与工程振动,62004,24(6):146-153.6杨超.饱和软土地铁结构地震响应计算方法的研究D.同济大学,2003.7刘齐建.软土地铁建筑结构抗震设计计算理论的研究D.同济大学,2005.8季倩倩.地铁车站结构振动台模型试验研究D.同济大学,2002.
