考虑场地-城市效应影响的城市地震运动模拟 以香港九龙站为研究对象外文翻译资料

 2022-01-29 18:52:05

英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

考虑场地-城市效应影响的城市地震运动模拟

以香港九龙站为研究对象

B. Kato , G. Wang

摘要：

保证在地震发生时的城市安全是人口密集的城市发展的前提。密集的高层建筑往往和地下设施相互交错，例如那些会在地震作用下产生复杂运动的交通枢纽。虽然有报道称土壤和建筑结构之间存在多种相互作用，例如地震后薄弱结构的破坏模式不尽相同，但如今的城市建筑结构设计仍沿用传统的地震作用理论。本研究旨在运用香港九龙站的实景三维模型，探讨土壤-地上-地下结构效应（SUSSI）和场地-城市效应（SCI）。通过计算机，采用不连续的有限元法计算模型，速度快，能高效地处理不同的环境条件，从而解决了复杂三维波传播中的一些常见问题。为了比较不同情形下的动力反应，本文考虑了两种模型，一种仅代表市中心的建筑基础系统，而另一种模型包括地下地铁站。弹性层模型代表底层，而地铁站和建筑基础系统是由封闭的刚性箱和均匀的方形块模型，分别取其主要动力特性和几何特性用以建模。论文主要研究了SUSSI，SCI，以及广场这一类的特殊城市布局，随着结构重量分布和基础深度改变产生的动力特性。

关键词：三维地震运动模拟；场地-城市效应；SSSI；SUSSI；城市交通枢纽

  1. 前言

从人口、社会经济和交通等方面来看，拥挤的地段代表着城市的中心。因此，这些地段需要更加先进的结构设计和更为深思熟虑的城市规划，以确保其结构的安全和居住的舒适。这类地段的结构抗震设计极为重要，但采用传统方法进行的抗震设计忽略了结构-土壤-结构效应（SSSI）和未来的城市设施扩展，这些新建的建筑结构会显著改变其所在城市场地及其周围环境。前人的数个报告中分析了敲打效应（Jennings，1970年）和建筑物之间的土壤连接（Gueguen , Bard，2005年）。在地震中，建筑物作为单一震动源向土壤传递振动反馈，从而进一步与周围的结构相互作用。这些现象十分普遍，在某些情况下，能观测到不稳定的破坏模式与场地-建筑的长期效应，在1985年地震后的墨西哥城中可以明显地观察到这一点（Flores，et al.，1987，Elebi，et al.，2010）。这引起了学者们对场地-城市效应（SCI）的关注，并积极的研究和分析，力求从理论层面上解释这种现象（Gu_Guen等，2002年；Kham等，2006年；Semblat等，2008年；Tabordaamp;Bielak，2011年；Schwan等，2016年）。尽管在SSSI和SCI方面取得了重大进展，但考虑到现实中城市的地上和地下环境，现今仍缺乏能将其完整表达的三维分析及其文献资料。一些研究小组已经指出了此类研究的重要性（Uineshi，2010年，Chen , Li ，2015年）。在交通枢纽这类的拥挤地段中，同时存在着大型地下室和建筑群。有报告表明地下洞室的结构可以改变地面的振动状态（Dashti等人，2016），为了更好地理解土壤-地上-地下结构效应（SUSSI）现象，还需要进一步对波的传播和土壤的振动反馈进行综合研究。本文旨在探讨拥挤的交通枢纽中，地下结构对地面振动的影响及其重要性，以及SCI效应。本文的研究结果进一步表明，考虑到上述结构和地下结构的实际分布，包含各类结构的实景三维分析对城市抗震设计具有重要意义。

  1. 三维计算平台

场地-城市效应的数值模拟过程中，最大的挑战在于该数值方法的可靠性，以及求解三维弹性波传播和网格化的复杂三维几何的计算平台。有限元法，被认为是处理波传播问题最有效的数值方法之一（Komatitschamp;Vilotte，1998，Faccioli，et al.，1997）。网格化问题是数值模拟过程中的一个主要问题，例如大范围内不同的小细节几何（如土壤介质上的城市结构以及场地），尤其是在使用有限元法分析时需要使用到六面体网格。不连续的网格化模型可以解决这方面的问题，而效率上的关键问题是数字代码的并行能力。上述所有特性都存在于该SPEED计算平台中（Mazzieri等人，2013年），这使得它成为研究SCI效应的良好途径。

SPEED计算平台采用离散化有限元（DGSE）方法，求解弹性动力学波动方程的公式。DGSE方法可以在不同尺寸和差异较大的多项式阶数（H和N自适应性）的非均匀网格化模型上求解波传播问题。它在不连续的界面上使用分段和继承的方式，以确保各个结构之间的相互关系尽量合理，从而保持较高的精度。控制方程的数值离散化采用n阶拉格朗日多项式函数和与有限元离散点重合的正交点上的拉格朗日 高斯-洛巴托积分规则，形成对角质量矩阵作为参数，以保证数值效率。所采用的时间方案是标准跳频方案，它要求满足CFL条件，并且每个波长至少有5个离散节点，以限制网格化分析结果的分散。

  1. 建筑和地下结构的建模

本文所选择的分析区域是九龙地铁站，它是香港最繁忙的交通枢纽之一，超高层建筑繁多，其中包括香港最高的摩天大楼国际商务中心。结构的布置如图3.1所示，该结构在香港这样的城市中心是很独特的。九龙站及其周边是一个发展极为快速的区域，人口众多，拥有很高的经济价值。

图3.1 研究区域 – 香港九龙地铁站

    1. 计算模型

为了验证并分析SUSSI和SCI效应，这里建立了两个模型。一个仅由高层建筑群组成，以下简称“结构模型”，另一个包括建筑群和地铁站，以下简称“地铁模型”，见图3.2。模型的几何和地基特性依照香港建筑部处所发布的建筑、岩土和地质数据来制定。模拟范围为1.8times;1.8times;0.12km，开发面积为1.4km2。城市密度，即总开发面积与建筑物所覆盖面面积比，无地铁站和有地铁站的场地分别为theta;s=0.0154和theta;m=0.0200，场地内有7个建筑群和一个地铁站（A-H），如图3.2和表4.2所述。建筑高度参差不齐，也较为复杂，区域内变化很大，导致模型两侧的惯性差异很大，特别是结构G、H、B和C-F周围的区域。

图3.2 地铁模型三维透视图及平面布置图

    1. 网格化

由于网格化后计算处理的速度较快，且网格划分过程简单易行。因此选择使用AutoCAD创建几何图形并将其分解为网格化所需的体积大小。然后将几何图形导入到网格软件Trelis中，利用先进的网格技术生成所需的高质量的不同网格区块。图3.3显示了网格化后的几何体和生成网格的缩小图。该模型共有452400个元素，其中只有0.1%的元素存在质量的差异。注意，如果六角形单元的雅可比阶大于0.5，则认为其符合要求，而小于0或0.2的单元（取决于模拟软件）则不可用于数值分析。结构和土壤区域的平均网格区块尺寸分别为5 m和10 m。在土壤和结构之间采用不连续的界面分开，以减轻对城市发展的复杂几何结构进行网格划分的繁重任务。在图3.3中，不同颜色块之间的界面各不相同。

图3.3 以质量划分的网格几何外观及其缩放雅可比值

  1. 模拟过程和模型参数

4.1场地范围

模拟场地区域为1.8times;1.8times;0.12 km弹性层模型，由三种不同材料组成，见表4.1。y和z方向的位移限制在场地边上（即在边界上为0），同时在底面应用了吸收的边界条件，以确保半空间弹性条件。场地的自振频率为fs=1Hz，因此采用1Hz的SH波作为场地共振的外来震动。SPEED平台通过频率比例质量系数（Q）来确定阻尼，其中，土壤和岩石分别采用3Hz下的Q=10（zeta;=5%）和Q=25（zeta;=2%）。花岗岩（CDG）层的刚度随覆盖层压力的增加而增加，这种现象通过增加各层的Vs来实现。数据N用于确定每个土层的地质性质（Wair等，2012年）。另外，波速取vp=2vs。

表4.1 地基各层的特性

4.2上部结构体系与地铁车站

上部结构系统在模拟中使用与土壤材质相同的六面体单元弹性块。弹性块是均匀的，其参数根据各结构的动力参数确定。表4.2中列出的每个结构的剪切波速和自然周期（公式4.1和4.2粗略估算所得）。

其中hs是层间高度，Ts是建筑的自然周期，Ns是层数。

模拟中建筑结构的自振频率均在0.09-0.2s之间，绝大部分的建筑物fb在0.14Hz上下，由此可以确定土壤与结构之间的频率比fs/fb=7.14。每个均质块的质量密度定为rho;=300kg/m3，质量系数Q=10（zeta;=5%）（Taborda , Bielak，2011年）。上部结构和地基应力的插值函数多项式分别设置为n=3和n=2，以确保较高的计算精度。

地基的自振周期tf通过4.3估算。它们的剪切波速（vs）和质量密度（rho;）是通过加权平均计算土壤和混凝土的刚度（g=rho;vs2）和密度（按面积比加权）来确定的（公式4.4和4.5）。

其中h是每个地基的高度，Ap是桩的总横截面积，Af是总的基础面积，Gavgs和rho;avgs是包括桩在内的土体的平均刚度和密度，而rho;c和Gc是混凝土的密度和刚度。

地铁站采用封闭式的刚性箱型模型。箱壁厚1米，尺寸为57times;127times;15米，箱顶位于地面。基础函数采用次数n=1的多项式，由于刚性较大，预计墙体的弯曲变形较小，假定箱形结构与地面一起移动。主要目标是定量分析SUSSI，即地铁站由于其空心性质和阻尼差异而影响地面振动。所有结构模型的特性如表4.2与图3.2所示。

表4.2 结构模型特性

  1. 模拟结果

在每个监测点记录位移变化，从中导出加速度和两个特征值，即地面扰动（dp）和动能（E）。如公式5.1所示，扰动表示两组位移变化过程中的相对位移。其目的是通过以下方式突出被记录节点处的波传播和地面振动的变化：

式中，dp（t）是振动影响的位移差值，d1（t）和d2（t）是要比较的相邻两组位移（例如，结构模型的位移）。公式5.2中确定了地面动能，突出了土壤反馈振动中所含的能量及其产生大惯性效应的能力（Bard，et al.，2006）：

其中v（x，t）是x处的地面运动速度，以振动持续时间进行积分。

结果表明，速度能够捕捉到SCI和SUSSI之间复杂的相互作用。先前的研究（Semblat等，2008年；Taborda ，Bielak.，2011年；Lombaert等，2004年）中很好地描述了地震动的相互影响和空间上的相关性。从结果中可以明显看出。Bard等（2006年）强调了SCI中的两个关键系数。Gu_Guen等（2002年），即城市密度和频率比（见第3.1和4.2节），此处表示该分析不适合SCI，但在模拟中观察到动能的显著变化。

图5.1展示了两个不同时间点的加速度。加速度差异表明在区域内存在明显的互不相干现象。惯性效应在左侧（F，G，B）十分明显，这是因为这片区域有更大的质量密度和更深的地基深度，而在各建筑结构体系的中间，加速度与自由度更高。SSSI效应也十分明显：在交通枢纽外围（t=1.3s）和郊外（t=1.7s），存在着一个加速度较高的圆形区域，这也是建筑振动反向传播到土壤（SSSI）的明显特征。虽然这些结构的自振频率和形状各不相同，但是建筑物外部和内部独特的圆形振动波和地面振动的最大值差异也体现了建筑布局的重要性。加速度较高的区域半径达500米，最大振幅为0.3m/s2。这说明城市周围建筑需要较好的布局和刚度分布，其相当于常遇地震（SLE）的50%（中国标准，2008年）。地铁站的存在改善了地面的相对运动，并在空间中形成了振动的集中区域。

图5.1 t=1.3s和t=1.7s时的加速度分布

图5.2中给出了与多自由度体系动能相比的模型的动能比。结构模型的地基动能高全自由度体系动能的135%和110%，而地铁模型的地基动能分别为开发区中心和郊区的120%和110%。这突出了地铁车站产生的振幅平均化现象。如图5.2底部图像所示，其影响范围仅限于车站附近。长方体状的车站将市中心的振幅较大的区域分成两个较小的区域。结果表明，建筑物之间的非建筑区（空地）越小，地基的动能越小，但目前还不能得出明确的结论。动能叠加区和非建筑区的几何结构一致，而且它会向较浅基础的和较轻建筑的方向偏移。说明了地基有明显的钉扎效应，地下结构存在SUSSI波陷现象。对于基础较深刚度较大的大质量建筑（F、G、H和B），钉扎效应与惯性作用同样明显。在结构附近观察到的地面动能较其他的减少20%，这是由于SSSI以及整体质量变化导致的现场振动整体刚度提高造成的。建筑物的形状和朝向对降低振动动能也有很大的作用。通过观察建筑物F和H周围的振动动能比，这两种结构具有相似的重量和基础深度，但是结构H

全文共10195字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[220]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章