超大型地下洞室群的隨機地震響應分析

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1、超大型地下洞室群的隨機地震響應分析摘要：地下結構的地震響應分析由于結構-圍巖的動力相互作用及地震動輸入的不確定性而十分復雜，尤其是對空間尺度很大的大型水電站的超大型地下廠房洞室群，地震動輸入的空間變化特性將對結構的地震動響應產生重要的影響。本文首先通過阻尼影響-抽取法求出地下結構無限圍巖介質的動阻抗，在此基礎上通過考慮地震動輸入空間變化的隨機過程模型，采用隨機分析方法研究了地震動輸入機制對地下洞室群動力響應的影響。結果表明，地震波的行波效應、空間相干性損失及散射效應是影響地下結構動力響應的關鍵因素。考慮地震波的行波效應和空間相干性損失

2、可以使地下結構的地震響應降低，但是地震波的散射效應可以增大地下結構的地震響應，結構的動力響應分析必須綜合考慮這幾項影響。關鍵詞：隨機分析相互作用行波效應散射超大型地下洞室群的地震反應分析，由于與圍巖的動力相互作用而變得十分困難，其響應特點與地面結構有明顯的差別，目前還缺乏比較完善和合理的計算模型和計算方法。其主要難點在于要全面分析地下結構在地震中的表現(xiàn)，除要考慮無限地基的剛度和輻射阻尼影響以外，地震動的震源特性以及地震波在不均勻介質中的傳播規(guī)律對結構響應的影響也必須加以研究探討。結構的地震響應分析精度受制于幾個方面的因素，如物理模型、

3、計算方法及地震動輸入機制等，這些因素是彼此關聯(lián)的。但是，由于地震動的不可精確預測性和不可重復性，目前對結構地震響應分析采用的場址地震動的研究還落后于對結構動力反應分析方法的研究，仍帶有很大的隨機性，尤其是對于大型地下洞室的地震動輸入機制研究還處于探索階段。首先是缺乏大型地下洞室群的實際震害資料，目前國內外有關的地下洞室震害調查基本上為3m～6m直徑大小，象溪洛渡地下廠房這種位于正常蓄水位以下400m，洞室跨度30m，高度近90m，長度幾百米的地下洞室的實際震害資料基本上沒有；其次是缺乏地下地震動的實際觀測資料，這是地震動觀測中的薄弱環(huán)

4、節(jié)，也是地下結構抗震設計中的困難所在。因此，將地震動視為隨機過程，深入研究各種可能因素對地下結構的影響是當前比較現(xiàn)實的手段。長期以來，工程上往往對地震動的空間變化作一些處理和假設。隨著地震動觀察從原來一個點發(fā)展到在方圓幾百米到幾千米的范圍內，越來越多的資料表明：以往在考慮地面運動的空間變化時所作的一致輸入或行波假定，與現(xiàn)有臺網的觀測資料相矛盾?？臻g各點的地震動存在的變化不僅僅是相位的變化，地面相鄰兩點地震動的空間變化規(guī)律高度依賴于地震的震源特性，地震波受局部場地的影響很大。這些觀測結果說明，真實地球介質是十分復雜的，這種空間變化對結構

5、響應的影響不容忽視[1]。對于擬建的溪洛渡水電站，其地震烈度受到外圍幾個與斷裂帶有關的地震危險區(qū)地震的影響，地震發(fā)生的地點、方向、頻率組成隨機性很大，由地震波傳播在橫斷面內產生的洞室周邊圍巖和襯砌中的應力分布和應力集中情況對地下結構的抗震穩(wěn)定性起主要的作用。因此本文著重研究了地震波的行波效應、散射效應及空間相干性等因素對地下洞室群動力響應的影響。1地下洞室圍巖動剛度計算的阻尼影響抽取法圍巖無限介質對地下結構地震響應的影響表現(xiàn)為邊界上的作用力，頻域表達計算公式為{R(ω)}=[S∞(ω)]{u(ω)}(1)式中：{R}為邊界作用力，{u

6、}為邊界位移；[S∞(ω)]為圍巖無限域的動力剛度?？梢圆捎米枘嵊绊懗槿》╗2]計算。其基本思想是在無限介質內利用人工邊界截取有限區(qū)域，在域內引入人工高阻尼，使邊界反射波在到達結構前被消耗掉。從而結構界面上的運動將主要取決于外行波動。據此，可以認為，按高阻尼有限域求出的結構界面上動剛度可逼近無限域的動剛度。再進一步從高阻尼有限域的動剛度中將施加的人工阻尼影響抽去，即可得無限域的動剛度。其基本過程如下[2]：在無限地基介質內截取有限區(qū)域后，可得有限區(qū)域無阻尼地基全域動剛度[St(ω)]，地基界面的動剛度[S(ω)]可從[St(ω)]中消

7、去內部自由度求得。在計算域內引入人工高阻尼ζ，由[S(ω)]可得到有限區(qū)域有阻尼邊界動剛度[Sζ(ω)]。將[Sζ(ω)]無量綱化以后，根據阻尼影響抽取法的思想，有限區(qū)域引入阻尼后的無量綱地基動剛度應逼近無限區(qū)域有阻尼地基動剛度，從而最終可得無限地基動剛度求解公式：[S∞(ω)]=1/1+2iζ[Sζ(ω)]+(-1)ω[Sζ(ω)],ω(2)2多點輸入隨機過程模型對于地下結構來說，由于周圍介質的約束作用，地震動的位移譜可能對結構的反應影響很大。本文采用如下模型[4]：SA(ω)=1+4ξ2g(ω2/ω2g)/(1-ω2/ω2g)2+

8、4ξ2g(ω2/ω2g)ω4/(ω2+ω20)21/1+(Dω)2S0(3)式中：1/1+(Dω)2為低通濾波器；ω4/(ω2+ω20)2為高通濾波器；ω0為控制地震運動低頻分量的參數，ω0越大，地震動低頻含量越少；D=