非一致地震激励下长隧道多尺度动力分析方法

本项目的最大创新之处在于将多尺度理论和方法引入到长隧道结构的非一致地震响应激励模拟和实现中。首先，基于并发多尺度原理构建了长隧道多尺度建模方法和动力分析模型，综合考虑地震波频谱、介质视波速和行波效应等影响因素，建立了考虑地震动非一致性的模型空间有效离散化方法；其次，以桥域耦合理论为基础，引入拉格朗日乘子将不同尺度区域之间的约束关系，通过能量势函数隐含到动力方程中，推导出不同尺度域的动力控制方程；再次，基于中心差分法，采用不同时间步长来求解不同尺度域，提出了用于地下结构多尺度分析的混合时间步算法，可以高效求解所建立的多尺度动力耦合体系；最后，以实际工程为应用实例，通过与传统的位移耦合方法的对比分析，说明了该多尺度方法用于地下结构动力分析的可行性以及对消除高频波虚假反射的有效性。本项研究是多尺度理论和方法在长隧道结构抗震分析中的初步探索，有助于完善我国地下结构抗震理论和方法，具有重要的科学理论价值和创新性。 2100433B

近年长隧道结构震害频发，考虑地震动空间非一致性对长隧道地震响应具有较大影响，但传统方法难以真实反映长隧道的非一致地震响应，对实际存在的多尺度动力问题缺乏研究。本项目以长隧道结构为研究对象，交叉融合隧道动力学、地震工程学及多尺度科学等学科，采用理论分析和数值模拟相结合的研究方法，系统研究非一致地震激励下长隧道多尺度动力分析方法。开展基于并发多尺度原理构造结构多尺度建模方法，提出考虑地震动非一致性的长隧道多尺度模型的有效离散化方法；建立不同尺度域间的约束关系，推导多尺度动力控制方程；提出长隧道多尺度动力问题的混合时步高效算法，建立与材料非线性等因素相对应的计算稳定性条件和收敛准则；采用损伤理论建立混凝土动力损伤本构模型，实现考虑损伤劣化特性的非一致地震激励下长隧道多尺度动力分析。项目研究有助于完善我国地下结构抗震理论和方法，为长隧道结构抗震计算和分析提供科学依据。

近年长隧道结构震害频发，考虑非一致激励作用对长隧道地震响应具有较大影响，目前研究仅限于数值分析手段，通过试验手段模拟长隧道非一致地震激励输入因缺乏理论基础而难以实现。项目针对长隧道结构的特点，交叉融合隧道动力学、地震工程学及实验力学等学科，采用离散多点输入机制理论分析和多点地震模拟振动台试验相结合的研究方法，系统研究非一致地震激励下长隧道多点多维振动台模型试验技术。包括建立考虑地震动空间非一致性的有效波动输入方法；建立长隧道离散多点地震动输入机制理论，研发可拼装式节段模型箱试验装置，利用离散多点振动台输入实现多点连续输入的转化，解决非一致地震作用下长隧道结构与环境介质动力耦合作用的连续与非连续地震输入试验技术难题；开展长隧道多点多维振动台模型试验模拟，揭示长隧道在非一致地震作用下的非线性动力灾变机理。项目研究有助于发展和完善长隧道结构抗震理论和模型试验方法，为长隧道抗震设计提供科学依据。

地震传播的行波效应对长大隧道的动力响应具有重要影响，因此在进行长隧道地震响应机制研究时需考虑非一致激励的作用效应。项目建立了可以考虑地震波传播相干效应和地层特征引起的局部场地效应等因素的空间非一致地震动输入方法；确定了多点非一致激励的地震动输入参数场及多点非一致激励场的主要影响。以实际连续多点地震动输入机制为基准，推导出模拟基岩面多个离散输入与连续输入的关联性，进而建立了台阵式振动台长大隧道非一致地震激励原理；研制了节段型模型箱及其联动装置，并优化设计了模型箱的尺寸、刚度、边界效应等关键技术指标，最终构建出振动台阵多个独立台面分区多点输入的非一致激励隧道地震试验平台；通过实际连续多点输入和多台面离散多点输入下基岩面动力响应的对比分析，进一步优化了非一致地震激励输入的离散多点输入机制；建立了多点振动台模型动力相似比设计理论，提出了以土-结构相对刚度比为控制指标的长大隧道地震响应物理模型的动力相似准则，在考虑结构所处场地特征的情况下合理模拟土-结构动力相互作用关系；开发了隧道多尺度物理模型和3D打印制作技术，可以模拟长大盾构隧道等复杂拼装式地下结构。通过空箱试验和自由场地试验，验证了该试验平台非一致地震激励的有效性，可以实现长度10km-级隧道-地层的强震非一致激励模拟。 2100433B

项目重点研究了大跨隔震结构考虑地震动空间效应的影响，通过理论分析与振动台试验研究，分析了隔震大跨空间结构在多点地震激励下的地震响应特征。近年来，支座隔震技术逐步应用于空间网格结构，由于隔震层的存在，导致现有计算方法无法适用于隔震结构多点地震激励下的地震响应分析。项目针对隔震空间网格结构超长、大跨的特点，基于理论分析与振动台模型试验，确定了多点地震激励下的结构响应分析方法，研究隔震网格结构的动力特性和地震响应特征。理论方面，针对隔震结构的非线性问题，重点解决结构动力方程中的支座变刚度与非比例阻尼问题，提出刚度和阻尼等效准则，实现动力方程的直接求解，并进行算法研究，编制相应的计算程序。试验研究方面，基于振动台台阵模型试验，研究隔震网格结构多点地震输入下的动力特性和响应特征，重点考察地震动激励、支座的刚度和阻尼变化对结构抗震性能的影响，并验证理论模型的合理性。最后基于理论分析与试验研究，利用数值模拟进行参数分析，建立多点地震激励下隔震网格结构的实用分析方法。 2100433B