The seismic wave input method for soil-structure dynamic interaction analysis based on the substructure of artificial boundaries
-
摘要: 数值模拟是解决土-结构动力相互作用问题的重要手段,而合理地实现地震波动输入直接影响地震作用下土-结构动力相互作用问题数值模拟的精度。波动法是目前常用的地震动输入方法之一,该方法将输入地震动转化为人工边界上的等效荷载,相较于其他地震动输入方法,波动法模拟精度高,但实施上相对复杂。从有限元模型入手,推导了采用波动法确定等效输入地震荷载的另一种形式,以此为基础,提出了一种在人工边界上实现地震动输入的新方法。新方法通过对土-结构有限元模型中由包含人工边界节点的单元组成的子结构施加自由场位移时程并进行动力分析,直接获得可实现地震波动有效输入的等效荷载,然后将等效输入地震荷载施加在土-结构模型的人工边界节点上,从而完成土-结构动力相互作用问题分析中地震动输入和地震反应计算。与原有波动法相比,新方法避免了需分别计算人工边界上自由场应力和由引入人工边界条件带来的附加力,以及需要根据不同人工边界面确定荷载的作用方向等较为复杂的处理过程,具有等效地震荷载计算简便、地震动输入过程更易于实施的特点。采用竖直入射和斜入射地震波动作用下的弹性半空间和成层半空间地震反应算例验证了新方法的有效性。
-
关键词:
- 土-结构动力相互作用 /
- 地震波动输入 /
- 波动法 /
- 等效输入地震荷载 /
- 人工边界子结构
Abstract: ：Numerical simulation is an important approach to conduct soil-structure dynamic interaction analysis, while the realization of the seismic wave input determines the accuracy of the simulation. Wave method is one of the most commonly used methods for seismic wave input, which converts the input wave into the equivalent loads on the artificial boundaries. Comparing with other methods, the wave method has high precision, but the implementation is relatively complicated. Based on another form of equivalent input seismic loads in the finite element model, a new seismic wave input method was proposed. In the new method, by imposing the free-field displacements on the nodes of the substructure composed of the elements containing the artificial boundary nodes, the equivalent input seismic loads are obtained through dynamic analysis of the substructure. Afterwards, the equivalent input seismic loads are applied to the nodes of the artificial boundaries to complete the seismic wave input and the seismic analysis of the soil-structure dynamic interaction model are performed. In comparison with the original wave method, the new method avoids the complex processes of calculating the free field stress on the artificial boundaries and the additional forces caused by the artificial boundaries, and determining the directions of the loads on different artificial boundaries. Therefore, it is simple to calculate the equivalent input seismic loads and easy to implement the seismic wave input process in the new method. The validity of the new method is verified by the numerical examples of the seismic analysis of the elastic half-space and layered half-space under vertical and oblique incident seismic waves. -
-
1 Hashash Y M A, Hook J J, Schmidt B, et al. Seismic design and analysis of underground structures.Tunnelling and Underground Space Technology. 2001, 16(4): 247-293 2 Alterman Z S, Aboudi J, Karal F C.Pulse propagation in a laterally heterogeneous solid elastic sphere.Geophysical Journal of the Royal Astronomical Society. 1970, 21(3): 243-260 3 Zhao C, Valliappan S.A dynamic infinite element for three-dimensional infinite-domain wave problems.International Journal for Numerical Methods in Engineering. 1993, 36(15): 2567-2580 4 Kim D K, Yun C B.Time-domain soil-structure interaction analysis in two-dimensional medium based on analytical frequency-dependent infinite elements. International Journal for Numerical Methods in Engineering. 2000, 47(7): 1241-1261 5 廖振鹏,周正华,张艳红. 波动数值模拟中透射边界的稳定实现. 地球物理学报. 2002, 45(4): 533-545 5 (Liao Zhenpeng, Zhou Zhenghua, Zhang Yanhong. Stable implementation of transmitting boundary in numerical simulation of wave motion.Chinese Journal of Geophysics, 2002, 45(4): 533-545(in Chinese)) 6 Lysmer J, Kulemeyer R L. Finite dynamic model for infinite media[J]. Journal of the Engineering Mechanics. ASCE, 1969(95): 759-877 7 刘晶波,王振宇,杜修力,等. 波动问题中的三维时域粘弹性人工边界. 工程力学. 2005, 22(06): 46-51 7 (Liu Jingbo, Wang Zhenyu, Du Xiuli, et al.Three-dimensional visco-elastic artificial boundaries in time domain for wave motion problems.Engineering Mechanics, 2005, 22(06): 46-51(in Chinese)) 8 8 赵密. 近场波动有限元模拟的应力型时域人工边界条件及其应用[博士论文]. 北京:北京工业大学, 2009 8 (Zhao Mi.Stress-type time-domain artificial boundary condition for finite-element simulation of near-field wave motion and its engineering application[PhD Thesis]. Beijing: Beijing University of Technology, 2009 (in Chinese)) 9 王子辉,赵成刚,董亮. 流体饱和多孔介质黏弹性动力人工边界. 力学学报. 2006, 38(5): 605-611 9 (Wang Zihui, Zhao Chenggang, Dong Liang.A viscous-spring dynamical artificial boundary for saturated porous media.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2006, 38(5): 605-611(in Chinese)) 10 谷音,刘晶波,杜义欣.三维一致粘弹性人工边界及等效粘弹性边界单元. 工程力学. 2007, 24(12): 31-37 10 (Gu Yin, Liu Jingbo, Du Xiuli. 3d consistent viscous-spring artificial boundary and viscous-spring boundary element.Engineering Mechanics, 2007, 24(12): 31-37(in Chinese)) 11 杜修力,赵密,王进廷. 近场波动模拟的人工应力边界条件. 力学学报. 2006, 38(1): 49-56 11 (Du Xiuli, Zhao Mi, Wang Jinting.A Stress Artificial Boundary in FEA for Near-field Wave Problem.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2006, 38(1): 49-56(in Chinese)) 12 梅魁,孟凡深.粘弹性人工边界在ABAQUS中的实现及应用. 水电能源科学. 2010, 28(7): 82-84 12 (Mei Kui, Meng Fanshen.Implementation of viscoelastic artificial boundaries and its application in ABAQUS.Water Resources and Power, 2010, 28(7): 82-84(in Chinese)) 13 李彬,刘晶波. 粘弹性人工边界在Marc中的实现//陆新征编. 第14届全国结构工程学术会议. 烟台市, 2005. 北京: 《工程力学》杂志社,2005,289-293,289-293 13 (Li Bin, Liu Jingbo.Realization of visco-elastic artificial boundary in Marc//Lu Xinzheng eds. Proceedings of the 14th National Conference on Structural Engineering, Yantai, 2005. Beijing: Journal of Engineering Mechanics, 2005, 289-293(in Chinese)) 14 Joyner W B, Chen A.Calculation of nonlinear ground response in earthquakes.Bulletin of the Seismological Society of America. 1975, 65(5): 1315-1336 15 Zhao C, Valliappan S, Wang Y C.A numerical-model for wave scattering problems in infinite media due to P-wave and SV-wave incidences.International Journal for Numerical Methods in Engineering. 1992, 33(8): 1661-1682. 16 John P W.Soil-structure interaction analysis in time domain.Nuclear Engineering and Design. 1988, 111(3): 381-393. 17 Nielsen A H.Towards a complete framework for seismic analysis in Abaqus.Engineering Computer Mechanics, 2014, 167(1): 3-12. 18 Amorosi A, Boldini D.Numerical modelling of the transverse dynamic behaviour of circular tunnels in clayey soils.Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2009, 29(6): 1059-1072 19 Hashash Y M A, Karina K, Koutsoftas D, et al. Seismic design considerations for underground box structures//The 2010 Earth Retention Conference. Washington, United States, 2010, 384(208): 620-637. 20 Pitilakis, Kyriazis, G. Tsinidis. Performance and Seismic Design of Underground Structures.Earthquake Geotechnical Engineering Design. 2014:279-340. 21 刘晶波,吕彦东. 结构-地基动力相互作用问题分析的一种直接方法. 土木工程学报. 1998,31(3): 55-64 21 (Liu Jingbo, Lu Yandong.A direct method for analysis of dynamic soil-structure interaction.China Civil Engineering Journal, 1998, 31(3): 55-64(in Chinese)) 22 Bazyar M H, Song C.Analysis of transient wave scattering and its applications to site response analysis using the scaled boundary finite-element method.Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2017, 98: 191-205 23 Pan J W, Zhang C H, Wang J T, et al.Seismic damage-cracking analysis of arch dams using different earthquake input mechanisms.Science in China Series E-Technological Sciences. 2009, 52(2): 518-529 24 赵源,杜修力,赵密,等. 地下结构地震响应中的地震动输入探讨. 土木建筑与环境工程, 2010, 32(S2): 192-197 24 (Zhao Yuan, Du Xiuli, Zhao Mi, et al.Study on the seismic motion input of seismic response of underground structures. Journal of Civil, Architectural Environmental Engineering, 2010, 32(S2): 192-197(in Chinese)) 25 章小龙,李小军,陈国兴,等.粘弹性人工边界等效载荷计算的改进方法.力学学报, 2016, 48(5): 1126-1135 25 (Zhang Xiaolong, Li Xiaojun, Chen Guoxing, et al.An improved method of the calculation of equivalent nodal forces in viscous-elastic artificial boundary.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2016, 48(5): 1126-1135(in Chinese)) 26 Barder J P, Ichii K, Lin C H.EERA: A computer program for equivalent-linear earthquake site response analysis of layered soil deposits. Los Angeles: University of Southern California, 2000. 27 Idriss I M, Sun J I.SHAKE91:A computer program for conducting equivalent linear seismic response analysis of horizontally layered soil deposits. California: University of California, 1992. 28 刘晶波,王艳. 成层半空间出平面自由波场的一维化时域算法. 力学学报. 2006, 38(2): 219-225 28 (Liu Jingbo, Wang Yan.A 1-d time-domain method for 2-d wave motion in elastic layered half-space by antiplane wave oblique incidence.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2006, 38(2): 219-225(in Chinese)) 29 刘晶波,王艳.成层介质中平面内自由波场的一维化时域算法. 工程力学. 2007, 24(7): 16-22 29 (Liu Jingbo, Wang Yan.A 1d time-domain method for in-plane wave motion of free field in layered media.Engineering Mechanics, 2007, 24(7): 16-22(in Chinese) -
期刊类型引用(45)
1. 井渭彪，王展，景立平，齐文浩. 粘弹性边界输入及大直径隧道地震反应数值模拟. 地震科学进展. 2025(03): 125-134 . 
百度学术
2. 柳国环，费琦翔. 边界-土-多跨桥梁系统的分区独立内部子结构地震波输入法及验证. 中国公路学报. 2025(03): 331-342 . 百度学术
3. 王飞，刘云贺，李虎，薛炳，牟猷，宋志强. 基于FEM-IBIEM的河谷坝址地震动输入方法及地震动场模拟研究. 振动与冲击. 2025(06): 244-253 . 百度学术
4. 梁建文，陈慧芳，李东桥，巴振宁. 地下管廊抗震研究现状综述. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2024(02): 209-222 . 百度学术
5. 潘玉华，王翠坤，时继瑞，陈才华，邱盛源，马明，崔明哲，董皓. 考虑土-结构相互作用的超高层结构地震非线性分析. 建筑结构学报. 2024(06): 25-38 . 百度学术
6. 王昴，韦芳芳，杨晶晶，王永泉. 地震动多角度斜入射下无压隧洞地震响应分析. 河南科学. 2024(04): 567-577 . 百度学术
7. 刘书序，胡进军. 远海岛礁与场地地震反应研究现状. 世界地震工程. 2024(02): 136-147 . 百度学术
8. 陈凌宇. 考虑子盆地影响的二维盆地非线性地震反应研究. 江苏建筑. 2024(05): 23-25+50 . 百度学术
9. 刘又恺，梁建文，巴振宁，王永光，马英. 斜入射地震波作用下非基岩场地核电结构地震响应. 地震工程与工程振动. 2024(06): 102-116 . 百度学术
10. 黄德龙，王惠跃，岑航，宗钟凌，刘强，汤爱平，陶夏新. 基于SV波斜入射水平非一致场管廊动力响应研究. 振动与冲击. 2024(24): 190-203 . 百度学术
11. 王丕光，卢冉冉，闫秋实，李述涛，杜修力. 水下爆炸作用下基于声学的爆源子结构输入方法. 力学学报. 2023(04): 915-924 . 本站查看
12. 王展，景立平，陆新宇，齐文浩. 粘弹性人工边界单元及地震动输入方法比较研究. 世界地震工程. 2023(02): 167-177 . 百度学术
13. 沈欣茹，郝冰，李远东，陈珍，周正华. 河谷地形对地震动的影响分析. 地震学报. 2023(04): 706-716 . 百度学术
14. 张小玲，徐英铎，王丕光，吴洁琼. 端承桩-土动力相互作用的频域子结构分析方法. 防灾减灾工程学报. 2023(04): 701-711 . 百度学术
15. 侯世伟，高广亮，张皓，孟素云，曲金红. 螺旋锚复合基础对村镇生土建筑抗震性能影响研究. 防灾减灾工程学报. 2023(04): 778-786+796 . 百度学术
16. 张佳文，李明超，韩帅，闫文钰，张敬宜. 非一致地震作用下高坝-复杂地基体系动力响应分析. 水利学报. 2023(09): 1099-1110+1121 . 百度学术
17. 张佳文，李明超，韩帅，闫文钰. 基于波场分离的不规则地形下地震波输入方法. 工程力学. 2023(11): 69-80+109 . 百度学术
18. 宝鑫，刘晶波，李述涛，王菲. 基于混合波场地震动输入技术的近海场地地震反应分析方法. 地震学报. 2022(01): 5-14 . 百度学术
19. 胡烨之，翟秋，张雅琪，卢昌红. 粘弹性边界及地震动输入在ABAQUS中的实现. 江淮水利科技. 2022(05): 5-9 . 百度学术
20. Xin Bao，Jingbo Liu，Hui Tan，Shutao Li，Fei Wang. A comparative analysis of seismic response of shallow buried underground structure under incident P, SV and Rayleigh waves. Earthquake Research Advances. 2022(04): 72-78 . 必应学术
21. 谷音，蔡亮. 基于分离式近场地基模型的土-曲线梁桥非一致地震反应分析方法研究. 地震工程与工程振动. 2021(02): 53-64 . 百度学术
22. 宝鑫，刘晶波，李述涛，王菲. 土-结构相互作用对储液结构动力反应的影响研究. 工程力学. 2021(S1): 125-132 . 百度学术
23. 吴雪，周兴龙，钟瑞，赵才友. 时速350 km高速列车下穿机场对跑道区道面的影响. 铁道建筑. 2021(08): 154-158 . 百度学术
24. 戴江力. 基于等效一致边界的重力坝地震响应分析. 水利科技与经济. 2021(08): 73-75+80 . 百度学术
25. 李述涛，宝鑫，刘晶波，陈叶青. 基于爆源子结构的爆炸问题多尺度分析方法. 振动与冲击. 2021(20): 63-72 . 百度学术
26. 魏奇科，韩亮，王振强，冯立，陈志雄. 双仓地下管廊抗震性能振动台试验研究. 防灾减灾工程学报. 2021(05): 1052-1061 . 百度学术
27. 董杰，王雨田，胡晶，孙保安，汪卫华，白海洋. 非晶合金剪切带动力学行为研究. 力学学报. 2020(02): 379-391 . 本站查看
28. 刘晶波，宝鑫，李述涛，赵启明，王菲，王东洋. 考虑潟湖影响的岛礁场地地震反应分析. 计算机辅助工程. 2020(02): 46-50+69 . 百度学术
29. 王立安，赵建昌，杨华中. 饱和多孔地基与矩形板动力相互作用的非轴对称混合边值问题. 力学学报. 2020(04): 1189-1198 . 本站查看
30. 刘晶波，宝鑫，谭辉，王东洋，李述涛. 土-结构动力相互作用分析中基于内部子结构的地震波动输入方法. 土木工程学报. 2020(08): 87-96 . 百度学术
31. 刘晶波，宋可，宝鑫，谷音，王建平，郭东. 强震作用下钢筋混凝土灯塔结构破坏模式研究. 自然灾害学报. 2020(04): 83-91 . 百度学术
32. 李述涛，刘晶波，宝鑫，贾艺凡，陈一村，肖兰. 人工边界子结构地震动输入方法在ABAQUS中的实现. 自然灾害学报. 2020(04): 133-141 . 百度学术
33. 宝鑫，刘晶波，王东洋，李述涛，王菲. 局部成层的海域岛礁场地地震反应分析. 振动与冲击. 2020(21): 55-64 . 百度学术
34. 李述涛，刘晶波，宝鑫. 采用黏弹性人工边界单元时显式算法稳定性的改善研究. 力学学报. 2020(06): 1838-1849 . 本站查看
35. 陈少林，柯小飞，张洪翔. 海洋地震工程流固耦合问题统一计算框架. 力学学报. 2019(02): 594-606 . 本站查看
36. 董正方，师成力，王君杰，曾繁凯. 重力对土体中地下结构地震反应的影响. 隧道建设(中英文). 2019(04): 576-583 . 百度学术
37. 芮珍梅，陈建兵. 加性非平稳激励下结构速度响应的FPK方程降维. 力学学报. 2019(03): 922-931 . 本站查看
38. 宝鑫，刘晶波，王东洋，王建平，郭东，宋可. P波垂直入射下海域岛礁场地动力反应分析. 工程力学. 2019(S1): 1-7 . 百度学术
39. 白建方，马立龙. Rayleigh波场的数值模拟及其应用. 震灾防御技术. 2019(02): 328-340 . 百度学术
40. 何卫平，熊堃，卢晓春. 确定性地震动空间差异对重力坝地震响应影响研究. 水利学报. 2019(08): 913-924 . 百度学术
41. 陈少林，程书林，柯小飞. 海洋地震工程流固耦合问题统一计算框架——不规则界面情形. 力学学报. 2019(05): 1517-1529 . 本站查看
42. 胡丹，张开银，孙亮，李芬，张磊. 饱和多孔介质中外源振动输入方法的研究. 华南理工大学学报(自然科学版). 2019(11): 140-146 . 百度学术
43. 柴瑞帅. 地震波动强度变化的数学建模分析与仿真. 地震工程学报. 2018(03): 549-554 . 百度学术
44. 胡丹，李芬，张开银. 饱和土–结构动力相互作用分析中地震动输入方法研究. 岩土工程学报. 2018(S2): 58-62 . 百度学术
45. 董正方，曾繁凯，李凤丽，张继康. 基于IDA法的矩形地下车站层间位移角抗震性能限值研究. 现代隧道技术. 2018(S2): 441-449 . 百度学术
其他类型引用(42)
计量
- 文章访问数: 1373
- HTML全文浏览量: 277
- PDF下载量: 572
- 被引次数: 87
下载:
