上海軟土地震響應的振動臺模型試驗

Word版本，下載可自由編輯上海軟土地震響應的振動臺模型試驗上海軟土地震響應的振動臺模型實驗詳細包括哪些內(nèi)容呢，下面我為大家?guī)硐嚓P內(nèi)容介紹以供參考。

近十多年來,隨著地下工程數(shù)量的增多和地下結構震害的頻繁浮現(xiàn),尤其是受到神戶地震的啟示,人們對地下結構的抗震能力有了新的熟悉,并加強了對地下結構建立抗震設計理論與辦法的討論①。

歷史上發(fā)生的大震表明,軟土會放大地震的破壞作用,故對于軟土地層厚達250~300m的上海地區(qū)開展建立地下鐵道抗震設計的分析理論和設計辦法的討論具有更重要的意義。張雄[1]等在時光域內(nèi)討論了土-地下結構互相作用體系的三維地震響應;AKIRA[2]等采納靜態(tài)有限元法討論了地下結構的的地震響應。國內(nèi)學者也加強了對地下結構的抗震性能的討論。馬險峰[3]等在國內(nèi)較早、也較具體的對地下結構的震害進了調(diào)查和討論,為建立地下結構的抗震計算理論和辦法提供了基礎;陳國興[4]等采納子結構法分析了地鐵車站結構的地震;張鴻[5]等分析了地鐵隧道的非線性地震響應。

楊林德教授舉行了上海軟土地區(qū)典型地鐵車站結構振動臺模型實驗①。該模型實驗包括兩部分:自由場振動臺模型實驗和典型地鐵車站結構振動臺模型實驗。前者主要用于模擬自由場地土層的地震反應,以及確定模型箱的工作性能,為舉行典型地鐵車站結構振動臺模型實驗提供前提條件;后者則主要用于了解地鐵車站與土共同作用時地震驚響應的邏輯與特征。按照模型實驗結果,楊超[6]和劉齊建[7]在平面應變假設的基礎上討論了上海軟土地區(qū)地鐵車站結構地震響應的計算辦法。本文擬對自由場振動臺模型實驗建立三維計算模型,對其舉行三維數(shù)值擬合分析,為建立上海軟土三維地震響應的數(shù)值計算辦法奠定基礎。

1自由場振動臺模型實驗

1.1實驗概況

自由場振動臺模型實驗[8]模型箱裝置如圖1所示,為由美國MTS公司生產(chǎn)的三向電液伺服驅動地震模擬振動臺。臺面尺寸為4.0m×4.0m;最大承載為15t;振動方式為X、Y、Z三向六自由度;頻率范圍為0.1~50Hz;臺面最大加速度為:X向1.2g、Y向0.8g、Z向0.7g。模型箱為高1.2m的中空長方體,沿振動方向凈長3.0m,垂直于振動方向凈寬2.5m,箱中土體高度1m。

在模型土表面和中部設置了16個加速度傳感器,用A表示(圖2);并在模型土與箱壁的接觸面上布設了4個動土壓力傳感器,以P表示。實驗采集到的信息為模型土和模型箱的加速度值以及模型土與模型箱之間的接觸壓力值。

1.2模型土的挑選與配制

模型土的性能難于在各個方面都與原狀土相像,故實驗中力求在最大動剪切模量值和動剪切模量與動應變間關系曲線的變化邏輯兩方面使模型土與原狀土盡量相像。

本次實驗用來制作模型土的材料選取為褐黃色粉質粘土,緣由主要有:(1)這類粘土在上海市區(qū)的地表淺層內(nèi)普遍存在,獵取便利,(2)這類粘土干燥時強度較高,遇水后可快速軟化,易于利用調(diào)節(jié)含水率及密實度使其特性滿足對模型土配制的要求。

2計算模型

2.1計算區(qū)范圍確實定

計算區(qū)范圍與模型箱尺寸全都。模型土長3.35m(激振方向,含兩側泡沫塑料板厚各175mm),寬2.5m,深1.0m,采納實體單元對模型土和塑料板劃分三維有限差分網(wǎng)格,如圖3所示。

2.2材料本構模型的選取

對重塑土舉行動力實驗[9]表明上海軟土的動應力應變關系遵從“應變軟化”邏輯:動剪切模量隨動剪應變的增強而降低,阻尼比則隨動剪應變的增強而增強,其關系可用Davidenkov模型描述為

其中:A、B和γr為擬合常數(shù);γr亦為參考剪應變,γd為瞬時動剪應變;Gd和λ為瞬時的動剪切模量和阻尼比;Gmax和λmax為最大動剪切模量和最大阻尼比。

本次實驗選取褐黃色粉質粘土作為制作模型土的原料。Davidenkov模型參數(shù)由實驗確定[8],見表1。其泊松比為0.4,密度為1760kg/m3;實驗[8]測得泡沫塑料板的動彈性模量為4.13MPa,密度15kg/m3,泊松比0.4,泡沫塑料板選用彈性模型。

2.3邊界條件

因為在激振過程中模型箱的剛度較大,其變形可忽視不計,可認為側向和底部邊界在水平方向上的加速度始終與臺面輸入的實驗波全都。因而計算時所實行的動力邊界條件為:沿激振方向在模型四個側面與底面同時施加與振動臺臺面輸入加速度全都的加速度邊界;模型底面為豎向固定的邊界;頂面為自由變形的邊界。

2.4荷載輸入

實驗選取三種地震波作為振動臺臺面輸入波,實驗加載制度見表2。實驗采納單向輸入激勵,在模型底部輸入臺面波。

3計算結果與分析

鑒于自由場振動臺模型實驗中,用于接受激振響應信息的傳感器主要是加速度傳感器,因此本文僅分析加速度響應邏輯。

3.1加速度放大系數(shù)

將測點加速度反應的峰值與振動臺臺面輸入的峰值之比定義為加速度反應的放大系數(shù)。各加載工況下,土體表面測點A3和一半深度處測點A25的二維[6]、三維數(shù)值模擬計算結果列于表3和表4,測點布置圖見圖2。

從表3、4可以看出:大部分工況下三維計算結果與二維計算結果以及實驗結果均吻合較好,相對誤差均在10%之內(nèi),表明提出的計算辦法能較好的模擬模型土的動力響應邏輯。僅在El-9和SH-10兩種工況時二維和三維的計算結果與實驗結果有一定的誤差,緣由可能是地震驚輸入峰值過大,土的剪切模量衰減較大,從而使得實驗過程中土實際的應力應變關系曲線偏離所采納的Davidenkov模型曲線較大。此外還可看出三維的計算結果大于二維,二維的計算結果大于實驗。

3.2加速度反應時程與富氏譜

圖4、5分離為SH-3工況下測點A25的加速度時程曲線及其富氏譜的計算結果與實測結果。由圖可見計算結果的波形、幅值與實驗結果均基本吻合,兩者在各頻段的頻率組成也基本全都,也表明文中的計算辦法能較好的模擬模型土的加速度響應邏輯。

4結語

本文對在同濟高校舉行的上海軟土地區(qū)地鐵車站結構振動臺模型實驗的自由場振動臺實驗建立了三維計算模型,分自由場振動臺模型實驗舉行了三維數(shù)值