超大型地下洞室群的隨機(jī)地震響應(yīng)分析.doc

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1、超大型地下洞室群的隨機(jī)地震響應(yīng)分析摘要：地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析由于結(jié)構(gòu)-圍巖的動(dòng)力相互作用及地震動(dòng)輸入的不確定性而十分復(fù)雜，尤其是對(duì)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(dòng)輸入的空間變化特性將對(duì)結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)響應(yīng)產(chǎn)生重要的影響。本文首先通過阻尼影響-抽取法求出地下結(jié)構(gòu)無限圍巖介質(zhì)的動(dòng)阻抗，在此基礎(chǔ)上通過考慮地震動(dòng)輸入空間變化的隨機(jī)過程模型，采用隨機(jī)分析方法研究了地震動(dòng)輸入機(jī)制對(duì)地下洞室群動(dòng)力響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，地震波的行波效應(yīng)、空間相干性損失及散射效應(yīng)是影響地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的關(guān)鍵因素?？紤]地震波的

2、行波效應(yīng)和空間相干性損失可以使地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)降低，但是地震波的散射效應(yīng)可以增大地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析必須綜合考慮這幾項(xiàng)影響。關(guān)鍵詞：隨機(jī)分析相互作用行波效應(yīng)散射超大型地下洞室群的地震反應(yīng)分析，由于與圍巖的動(dòng)力相互作用而變得十分困難，其響應(yīng)特點(diǎn)與地面結(jié)構(gòu)有明顯的差別，目前還缺乏比較完善和合理的計(jì)算模型和計(jì)算方法。其主要難點(diǎn)在于要全面分析地下結(jié)構(gòu)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(dòng)的震源特性以及地震波在不均勻介質(zhì)中的傳播規(guī)律對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響也必須加以研究探討。結(jié)構(gòu)的地

3、震響應(yīng)分析精度受制于幾個(gè)方面的因素，如物理模型、計(jì)算方法及地震動(dòng)輸入機(jī)制等，這些因素是彼此關(guān)聯(lián)的。但是，由于地震動(dòng)的不可精確預(yù)測(cè)性和不可重復(fù)性，目前對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析采用的場(chǎng)址地震動(dòng)的研究還落后于對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)分析方法的研究，仍帶有很大的隨機(jī)性，尤其是對(duì)于大型地下洞室的地震動(dòng)輸入機(jī)制研究還處于探索階段。首先是缺乏大型地下洞室群的實(shí)際震害資料，目前國內(nèi)外有關(guān)的地下洞室震害調(diào)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(shí)際震害資料

4、基本上沒有；其次是缺乏地下地震動(dòng)的實(shí)際觀測(cè)資料，這是地震動(dòng)觀測(cè)中的薄弱環(huán)節(jié)，也是地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的困難所在。因此，將地震動(dòng)視為隨機(jī)過程，深入研究各種可能因素對(duì)地下結(jié)構(gòu)的影響是當(dāng)前比較現(xiàn)實(shí)的手段。長期以來，工程上往往對(duì)地震動(dòng)的空間變化作一些處理和假設(shè)。隨著地震動(dòng)觀察從原來一個(gè)點(diǎn)發(fā)展到在方圓幾百米到幾千米的范圍內(nèi)，越來越多的資料表明：以往在考慮地面運(yùn)動(dòng)的空間變化時(shí)所作的一致輸入或行波假定，與現(xiàn)有臺(tái)網(wǎng)的觀測(cè)資料相矛盾?？臻g各點(diǎn)的地震動(dòng)存在的變化不僅僅是相位的變化，地面相鄰兩點(diǎn)地震動(dòng)的空間變化規(guī)律高度依賴于地震的震源

5、特性，地震波受局部場(chǎng)地的影響很大。這些觀測(cè)結(jié)果說明，真實(shí)地球介質(zhì)是十分復(fù)雜的，這種空間變化對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響不容忽視[1]。對(duì)于擬建的溪洛渡水電站，其地震烈度受到外圍幾個(gè)與斷裂帶有關(guān)的地震危險(xiǎn)區(qū)地震的影響，地震發(fā)生的地點(diǎn)、方向、頻率組成隨機(jī)性很大，由地震波傳播在橫斷面內(nèi)產(chǎn)生的洞室周邊圍巖和襯砌中的應(yīng)力分布和應(yīng)力集中情況對(duì)地下結(jié)構(gòu)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(yīng)、散射效應(yīng)及空間相干性等因素對(duì)地下洞室群動(dòng)力響應(yīng)的影響。1地下洞室圍巖動(dòng)剛度計(jì)算的阻尼影響抽取法8圍巖無限介質(zhì)對(duì)地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)

6、的影響表現(xiàn)為邊界上的作用力，頻域表達(dá)計(jì)算公式為{R(ω)}=[S∞(ω)]{u(ω)}(1)式中：{R}為邊界作用力，{u}為邊界位移；[S∞(ω)]為圍巖無限域的動(dòng)力剛度?？梢圆捎米枘嵊绊懗槿》╗2]計(jì)算。其基本思想是在無限介質(zhì)內(nèi)利用人工邊界截取有限區(qū)域，在域內(nèi)引入人工高阻尼，使邊界反射波在到達(dá)結(jié)構(gòu)前被消耗掉。從而結(jié)構(gòu)界面上的運(yùn)動(dòng)將主要取決于外行波動(dòng)。據(jù)此，可以認(rèn)為，按高阻尼有限域求出的結(jié)構(gòu)界面上動(dòng)剛度可逼近無限域的動(dòng)剛度。再進(jìn)一步從高阻尼有限域的動(dòng)剛度中將施加的人工阻尼影響抽去，即可得無限域的動(dòng)剛度。其基本

7、過程如下[2]：在無限地基介質(zhì)內(nèi)截取有限區(qū)域后，可得有限區(qū)域無阻尼地基全域動(dòng)剛度[St(ω)]，地基界面的動(dòng)剛度[S(ω)]可從[St(ω)]中消去內(nèi)部自由度求得。在計(jì)算域內(nèi)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(dòng)剛度[Sζ(ω)]。將[Sζ(ω)]無量綱化以后，根據(jù)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(dòng)剛度應(yīng)逼近無限區(qū)域有阻尼地基動(dòng)剛度，從而最終可得無限地基動(dòng)剛度求解公式：[S∞(ω)]=1/1+2iζ[Sζ(ω)]+(-1)ω[Sζ(ω)],ω(2)2多點(diǎn)輸入隨機(jī)過程模型對(duì)

8、于地下結(jié)構(gòu)來說，由于周圍介質(zhì)的約束作用，地震動(dòng)的位移譜可能對(duì)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)影響很大。本文采用如下模型[4]：SA(ω)=1+4ξ2g(ω2/ω2g)/(1-ω2/ω2g)2+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(yùn)動(dòng)低頻分量的參數(shù)，ω0越大，地震動(dòng)低頻含量越少；D