超大型地下洞室群的隨機地震響應(yīng)分析

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1、超大型地下洞室群的隨機地震響應(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)-圍巖的動力相互作用及地震動輸入的不確定性而十分復(fù)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(jié)構(gòu)的地震動響應(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)的動阻抗，在此基礎(chǔ)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(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)動力響應(yīng)的關(guān)鍵因素。考慮地震波的行波效應(yīng)和空間相干性損失

2、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)的動力響應(yīng)分析必須綜合考慮這幾項影響。關(guān)鍵詞：隨機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，由于與圍巖的動力相互作用而變得十分困難，其響應(yīng)特點與地面結(jié)構(gòu)有明顯的差別，目前還缺乏比較完善和合理的計算模型和計算方法。其主要難點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)的地震響應(yīng)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(guān)聯(lián)的。但是，由于地震動的不可精確預(yù)測性和不可重復(fù)性，目前對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析采用的場址地震動的研究還落后于對結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)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(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(jié)構(gòu)抗震設(shè)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(jié)構(gòu)的影響是當(dāng)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(shè)。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(nèi)，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(wǎng)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(jié)果說明，真實地球介質(zhì)是十分復(fù)雜的，這種空間變化對結(jié)構(gòu)

5、響應(yīng)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(guān)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(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地下洞室群動力響應(yīng)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(zhì)對地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響表現(xiàn)為邊界上的作用力，頻域表達(dá)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(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)界面上的運動將主要取決于外行波動。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(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剛度[St(ω)]，地基界面的動剛度[S(ω)]可從[St(ω)]中消

7、去內(nèi)部自由度求得。在計算域內(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剛度應(yīng)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(jié)構(gòu)來說，由于周圍介質(zhì)的約束作用，地震動的位移譜可能對結(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+

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(shù)，ω0越大，地震動低頻含量越少；D=