基于流固耦合统一计算框架的三维大规模海域场地地震反应分析——以东京湾为例

摘要

海域场地地震响应分析是确定海洋工程结构抗震设计地震动输入的重要环节。然而,针对海水、饱和土、基岩之间的流固耦合分析,目前一般通过对3种介质方程进行离散,然后整体求解或分区耦合求解的方式进行,过程复杂而低效。因此,大规模海域场地地震反应分析仍是一个挑战性问题。本文基于流固耦合统一计算框架求解海域近场波动问题,采用透射边界模拟无限域,通过将海水和基岩视为孔隙率分别等于1和0的广义饱和多孔介质,使得海水、饱和土、基岩之间的相互耦合可在统一计算框架中实现,避免不同介质求解器之间的数据交换。采用集中质量显式有限元并行计算,不同进程之间采用MPI进行数据交换,提高计算效率;采用逐元技术,按单元类别存储单元刚度,大大节省了内存,便于大规模计算。通过自编程,输入界面高程数据和材料参数,实现建模-自由场-三维地震动模拟全流程自动化。以东京湾为例,使用该方法和程序在超级计算机上模拟SV波垂直入射时的地震响应,证实了该方法用于三维大规模海域地震波场模拟的高效性和可行性。