关于地震动输入机理的分析与探讨万文智1 窦兴旺2(1.江苏省交通规划设计院 南京210005; 2.河海大学 南京210098D摘要:地震动的输入机理是目前大坝抗震分析研究的重要课题之一 文章探讨了多种地震动的输入方法;同时结合数学模型对每一种进行了较详细的研究比较 并作出评价 得出了一些对工程设计有益的结论关键词:地震动输入机理;地震输入方法;数学模型;有限元数值分析中图分类号:TV 641;TV 697.2+4收稿日期:2000-01-27土石坝的地震反应 是在地运动的激励下 地基 坝体和库水三者相互作用的结果 而通常能得到的地震波记录都是在无坝条件下获得的 并且该地震波记录往往不是在坝址处获得 因此 通常是将坝址附近的自由场地震波或与坝址处场地条件类同的地震记录结合当地场地特性进行合理地调整 作为动力分析时作用在大坝上的输入地震 为此 在进行土石坝动力分析时 一个很重要的问题就是要确定以什么样的方法在何处输入什么样的地震动时程 此即为文章所要研究的地震动输入机理概述通常 地震动输入应包括两方面的内容:一是输入运动本身 即在地震反应分析中 应采用什么样的地震动作为地震输入 这属于工程地震危险性分析的范畴 其任务是设定工程地震动强度和设计地震动时程 无疑 这是抗震分析中的关键之一 在抗震分析中有较大的不确定性 确定要输入的地震动通常由地震地质部门负责提供实测波 会同设计部门选择适合当地场地特征和结构特性的地震波 本文对此未作深入的研究;二是地震波输入方法 本文将对此进行较为详细的研究在对坝 地基相互作用系统进行动力分析时 通常在系统底边界输入自由场记录 但这样做的结果是 由于地震波传播过程中产生的波传导效应 将产生放大和滤波作用 通常计算得的坝底地震反应将比周围自由场大很多为此 近年来国内外采用无质量地基的近似处理相当流行 这种处理是在系统质量矩阵 中将对应于地基单元的项充零 从而削弱了有效地震力 这对补偿波的传导效应有益;但完全不考虑地基的质量也是不恰当的 易致使人为放大系统的自振频率另一种输入方法是在模型底边界输入基岩地震动 而基岩地震动需要由自由场记录反演得到 这一方法首先实际应用于美国~umbolt gulf 核电站的分析 并与在San f ernando 地震中的实测值吻合较好综上所述 目前在相互作用分析中提出和应用的地震动输入方法有4种:a .在坝基面上直接输入地表自由场记录(如图1(a D D ;b .在坝基面上直接输入地表自由场记录 但引入无质量地基模型(如图1(b D D ;c .在有限元模型底(或基岩处D 输入自由场记录(如图1(G D D ;d .将自由场记录进行反演 得到基岩地震动时程 再将该时程输入到基岩进行结构的正演分析(如图1(d D D图1不同地震输入方法示意图2地震动输入机理研究本文研究中应用的人工边界须满足假定:a .人工边界处(边界层处D 材料均质弹性;b .波垂直于人工边界入射文章通过频域内反演和时域内正演校核调整此两个不断迭代修正的数值计算过程 来进行基岩地震动反演模式 在一定程度上考虑了地基土的非线812000年12月20日大坝观测与土工测试第24卷第6期性特性O如前所述9文章在进行地震动的输入机理问题研究时9共分析比较了4种不同的输入方法O 其中9第1种忽略了坝基处地震动和自由场记录的差别9有一定的近似性9因此在应用于土石坝与深厚覆盖层地基相互作用的研究中9似乎还值得进一步探讨O第2种最先是由101gh R W在进行拱坝地基相互作用研究时提出的9此后9许多学者便应用该方法研究混凝土坝地基的相互作用问题O夏颂佑等研究土石坝结构动力问题时 3 9认为可作如下处理在进行坝体结构动力分析时9同时计入坝体和地基的刚度9但只计入坝体的质量9在有限元分析过程中9对应于地基自由度的质量矩阵的元素充零而在分析地基问题(包括地下防渗墙结构的动力响应等时9则应同时考虑坝体和地基的质量和刚度O经过这样处理所得的计算成果比较接近工程实际情况O 第3种从理论上讲不是太合理9因为这样的自由场记录在传播到坝基时已经过了较多的改变9然而9模型试验时只能采用从模型基底输入的方法O 第4种是一种理想化的方法O实际上是将自由场记录在无坝条件下反演9得到基岩地震动时程9再在基岩输入该地震动时程9对整个大坝地基库水系统进行正演分析O如果不是地基土的诸多不确定的因素9反演方法从真正意义上实现了基岩处(如果地基模型取至基岩地震动的输入9这恰恰是最合理的9也是最方便的地震动输入方法O如图2所示土石坝地基相互作用数学模型中9坝高125m9左右侧地基宽度和深度均取500mO图2土石坝地基相互作用数学模型及有限元网格剖分对图2的土石坝地基相互作用数学模型9分别进行以上四种不同的地震输入9自由场记录均取用TAFT地震波O对控制点A(见图2 进行地震反应分析9所列成果均为顺河流方向9见表1~表3.图3~图49其中9图3(a ~图3(d分别为第1~第4种不同地震输入情况下的A点的加速度反应时程9图3(e为自由场记录的反演时程O由表1~表3及图3(a ~图3(d的成果看出9第3种地震输入方法的坝体的地震反应最大9而且比其他三种大较多9应该说有其不尽合理的地方9实际上9该方法对结构是偏于安全的O第1种次大9第2种最小9可见无质量地基模型削弱了有效地震力O 第2种和第4种的动力成果较接近O这样9在其他3种地震动输入方法中9第2种9即在无质量地基模型的坝基面上输入自由场记录所进行的动力分析虽然是一种简化的方法9但将其应用于土石坝地基相互作用的研究却是可行的O对于复杂的地基情况9由于反演模式的复杂9势必导致反演所得基岩地震动的可靠性大大降低O因此9对此情况9应用在无质量地基模型的坝基面上输入自由场记录可能是一种相对较好的地震动输入模式O表1不同地震输入方法下的A点的最大加速度地震输入方法输入1234最大加速度/S 1.759 6.118 5.2109.026 5.552表2不同地震输入方法下的A点的最大加速度放大系数地震输入方法1234最大加速度放大系数 3.478 2.962 5.131 3.156表3不同地震输入方法下的A点的最大动位移地震输入方法1234最大动位移/cm 2.617 2.035 3.805 2.207图3不同地震输入方法下控制点的加速度反应时程图4(a~图4(d分别对应于图1(a~图1(d 的4种不同的地震输入方法O由图4还看出9不同的地震输入方法对坝体结构的动力反应影响较大9但对地基动力反应的影响则不大9特别对地基中部的加速度缩减区9几种不同的地震输入情况较相近O3结语文章通过对4种不同的地震输入方法进行比较研究9分别作出评价O认为9对于简单的地基组成情况9若材料参数较易确定9再选用合适的反演方法9(下转第29页91专题万文智等关于地震动输入机理的分析与探讨(上接第19页)图4不同地震输入方法下的最大加速度等值线图则对于地震动输入 在基岩(或模型底边界)处输入经反演得的基岩地震动应是较合理的;而对于复杂地基情况 采用无质量地基模型的坝基面地震输入有一定的合理性O地震动的输入机理是目前大坝抗震分析研究的重要课题之一O 文章探讨了多种地震动的输入方法 对每一种进行了较详细的研究比较 得出一些对工程设计有益的结论 但要将这些研究成果应用到工程设计中 仍有许多工作要做 特别要积累更多的强震观测资料 以对各种地震动输入方法进行校验 从而将理论研究用以指导工程设计O参考文献1<地震工程概论>编写组编著 地震工程概论(第二版) 科学出版社 19852陈厚群 侯顺载 王均.拱坝自由场地震输入和反应 地震工程与工程振动 1990 10(2):53~643夏颂佑.冶勒沥青混凝土心墙堆石坝三维非线性动力分析报告.19944C lough R W Stephen R M and uo J S~.Dynamic ReSponSe AnalySiS of Techi Dam .Report No .U CB /EE R C -82/11 Aug .19825Seed ~B L ee L IdriSS I M et al .The SlideS in theSan F ernando DamS During the E arth g ua k e of F ebruary 9.1971 P roc .AS CE V ol .97 G T 7 1975万文智 男 工程师 主要研究方向为水工设计ODYNAMIC ANA L YSIS OF SEISMIC E X CITATIONWcn Wen hi 1,Do z X in w cng2(1.J iangSu P rovince C ommunication P lanning and DeSign InStitute .Nanjing 210005)(2.~ohai UniverSity .Nanjing 210098)Abstract :The Study on SeiSmic excitation iS very important in the onti -SeiSmic analySiS for damS .V ariouS SeiSmic excitation meanS are compared and evaluated in the paper .Some reSultS uSeful to deSign are abtained by meanS of numerical analySiS W ith FEM .Keyw 0r d s :SeiSmic excitation :numeric analySiS model :finite element method关于地震动输入机理的分析与探讨作者：万文智， 窦兴旺作者单位：万文智(江苏省交通规划设计院,南京 210005)， 窦兴旺(河海大学,南京 210098)刊名：大坝观测与土工测试英文刊名：DAM OBSERVATION AND GEOTECHNICAL TESTS年，卷(期)：2000,24(6)被引用次数：7次1.《地震工程概论》编写组地震工程概论(第二版) 19852.陈厚群;侯顺载;王均拱坝自由场地震输入和反应 1990(02)3.夏颂佑冶勒沥青混凝土心墙堆石坝三维非线性动力分析报告 19944.Clough R W;Stephen R M;Kuo J SH Dynamic Response Analysis of Techi Dam. 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