成层场地地震波斜入射波动分析方法

摘要

本发明公开了一种成层场地地震波斜入射波动分析方法，包括以下步骤：(1)求解地震斜入射时成层场地一维时域自由场，求解自由场时考虑土体的非线性特点，将土体看做粘弹性材料；(2)对自由场进行人工边界转换，人工边界转换时考虑土体的初始应力；(3)基于OpenSees计算平台的岩土动力分析模型确定人工边界的等效载荷；(4)对人工边界施加等效载荷，进行非线性拨动分析。本发明的成层场地地震波斜入射波动分析方法，将土体视为粘弹性材料，考虑土体动力作用下表现出的非线性、滞回特性，精度高、计算效率高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种成层场地地震波斜入射波动分析方法。

背景技术

对土层结构进行近场波动分析时，通常采用地震波垂直入射的输入方式；成层场地上地震波斜入射引起的地面运动非一致性，对大跨径桥梁、地铁车站、隧道等重要基础设施产生较大的影响。另一方面，目前关于地震斜入射时成层场地自由场时域分析将土体看作线弹性体，没有考虑土体的动力非线性特性，对土体在循环载荷作用下表现出的非线性、滞回阻尼考虑不足，而土体的非线性、滞回阻尼对分层场地自由场反应有着重要的影响。基于此，非常有必要考虑地震波斜入射对成层场地上的工程结构带来的影响，采取相应的震灾防御技术减轻灾害。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种考虑土体非线性滞回效应、精度高、计算效率高的成层场地地震波斜入射波动分析方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种成层场地地震波斜入射波动分析方法，其包括以下步骤：

(1)求解地震斜入射时成层场地一维时域自由场，求解自由场时考虑土体的非线性特点，将土体看做粘弹性材料；

(2)对自由场进行人工边界转换，人工边界转换时考虑土体的初始应力；

(3)基于OpenSees计算平台的岩土动力分析模型确定人工边界的等效载荷；

(4)对人工边界施加等效载荷，进行非线性拨动分析。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括步骤(1)中求解一维时域自由场的步骤为，

(1.1)建立成层场地自由场的一维时域等效线性算法；

(1.2)采用等效线性分析方法，通过迭代过程确定土体等效动剪应变；

(1.3)由等效动剪应变确定土体的剪切模量和阻尼比；

(1.4)采用高斯精细积分求自由场的动力方程。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括步骤(1.2)中等效线性分析的步骤为，

(1.2.1)假定土体的初始阻尼比和剪切模量，由动力分析得到各单元经理的最大剪切应变γmax；

(1.2.2)根据γeff＝0.65γmax求解等效剪应变幅γeff；

(1.2.3)根据等效剪应变幅γeff求解剪切模量G和阻尼比λ，重新进行动力分析，直到前后两次分析达到给定的精度要求为止。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括步骤(2)中人工边界转换的的过程为：

(2.1)建立只有场地有限元模型；

(2.2)侧向边界施加水平连杆约束，底部边界施加竖向连杆，地表面设置排水边界，进行动力松弛分析，获得水平连杆约束反力和底部边界竖向连杆约束反力；

(2.3)撤除侧向边界水平连杆约束、撤除底部边界竖向连杆约束，侧向边界和底部边界按照粘弹性人工边界设置。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括步骤(2.2)中，在撤除侧向边界水平连杆约束、底部边界竖向连杆约束的同时，施加侧向水平连杆、底部竖向连杆的约束反力。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括步骤(3)中确定人工边界等效载荷的过程为，

(3.1)建立只有场地有限元模型；

(3.2)侧向边界施加水平连杆约束，底部边界施加竖向连杆约束，地表面设置排水边界，进行动力松弛分析，获得水平连杆约束反力和底部边界竖向连杆约束反力；

(3.3)撤除侧向边界的约束、撤除底部边界的约束，并对侧向边界约束反力、对底部边界施加约束反力，同时在侧向、底部设置粘弹性人工边界；

(3.4)将侧向、底部土体自由场运动赋予相应节点，按照步骤(3.3)设置的人工边界进行过动力分离，获得人工边界节点处的约束反力，此约束反力即为所求的等效载荷。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括步骤(3.2)中，在OpenSees计算平台中动力松弛分析，先将土体渗透系数设置为1.0，时间步长设置为500,5000，将土体材料设置为弹性材料试算，待建立静孔隙水压力后，将材料转为弹塑性材料，此时需要将时间步长设置为0.005～0.01，待弹塑性分析收敛后，输出侧向连杆约束反力、底部竖向连杆约束反力。

本发明的成层场地地震波斜入射波动分析方法，将土体视为粘弹性材料，考虑土体动力作用下表现出的非线性、滞回特性，精度高、计算效率高。

附图说明

图1是本发明优选实施例中自由场地计算分析模型；

图2是本发明优选实施例中成层场地人工边界等效载荷确定模型。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例

如图1-2所示，本实施例公开了一种成层场地地震波斜入射波动分析方法，包括以下步骤：

(1)求解地震斜入射时成层场地一维时域自由场，求解自由场时考虑土体的非线性特点，将土体看做粘弹性材料；

(2)对自由场进行人工边界转换，人工边界转换时考虑土体的初始应力；

(3)基于OpenSees计算平台的岩土动力分析模型确定人工边界的等效载荷；

(4)对人工边界施加等效载荷，进行非线性拨动分析。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括步骤(1)中求解一维时域自由场的步骤为，

(1.1)建立成层场地自由场的一维时域等效线性算法；

(1.2)采用等效线性分析方法，通过迭代过程确定土体等效动剪应变；

(1.3)由等效动剪应变确定土体的剪切模量和阻尼比；

(1.4)采用高斯精细积分求自由场的动力方程。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括步骤(1.2)中等效线性分析的步骤为，

(1.2.1)假定土体的初始阻尼比和剪切模量，由动力分析得到各单元经理的最大剪切应变γmax；

(1.2.2)根据γeff＝0.65γmax求解等效剪应变幅γeff；

(1.2.3)根据等效剪应变幅γeff求解剪切模量G和阻尼比λ，重新进行动力分析，直到前后两次分析达到给定的精度要求为止。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括步骤(2)中人工边界转换的的过程为：

(2.1)建立只有场地有限元模型；

(2.2)侧向边界施加水平连杆约束，底部边界施加竖向连杆，地表面设置排水边界，进行动力松弛分析，获得水平连杆约束反力和底部边界竖向连杆约束反力；

(2.3)撤除侧向边界水平连杆约束、撤除底部边界竖向连杆约束，侧向边界和底部边界按照粘弹性人工边界设置。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括步骤(2.2)中，在撤除侧向边界水平连杆约束、底部边界竖向连杆约束的同时，施加侧向水平连杆、底部竖向连杆的约束反力。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括步骤(3)中确定人工边界等效载荷的过程为，

(3.1)建立只有场地有限元模型；

(3.2)侧向边界施加水平连杆约束，底部边界施加竖向连杆约束，地表面设置排水边界，进行动力松弛分析，获得水平连杆约束反力和底部边界竖向连杆约束反力；

(3.3)撤除侧向边界的约束、撤除底部边界的约束，并对侧向边界约束反力、对底部边界施加约束反力，同时在侧向、底部设置粘弹性人工边界；

(3.4)将侧向、底部土体自由场运动赋予相应节点，按照步骤(3.3)设置的人工边界进行过动力分离，获得人工边界节点处的约束反力，此约束反力即为所求的等效载荷。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括步骤(3.2)中，在OpenSees计算平台中动力松弛分析，先将土体渗透系数设置为1.0，时间步长设置为500,5000，将土体材料设置为弹性材料试算，待建立静孔隙水压力后，将材料转为弹塑性材料，此时需要将时间步长设置为0.005～0.01，待弹塑性分析收敛后，输出侧向连杆约束反力、底部竖向连杆约束反力。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。