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隧道爆破地震波下砌体建筑物动力响应及滞回耗能特性研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 爆破荷载作用下砌体建筑物动力响应研究现状

1.3.2 爆破地震波下砌体等建筑物滞回耗能研究现状

1.4 本课题研究内容与研究方法

1.4.1 本文主要研究内容

1.4.2 本文主要研究方法

第二章 隧道爆破地震波特性研究

2.1 引言

2.2 爆破地震波理论研究

2.2.1 萨道夫斯基公式

2.2.2 平均频翠

2.2.3 HHT变换

2.2.4 安全判据

2.3 爆破施工方案与爆破参数

2.3.1 工程场地概况及检测设备参数

2.3.2 爆破参数

2.3.3 监测方案

2.4 爆破地震波实测数据分析

2.4.1 基于最小二乘法的振速传播模型

2.4.2 爆破地震波主频率的传播模型

2.5 爆破地震波信号分析

2.5.1 信号的EMD分解

2.5.2 信号的Hilbert变换

2.5.3 功率谱密度分析

2.5.4 Hilbert能量传播规律分析

2.5.5 边际谱传播规律

2.5.6 瞬时能量谱传播规律

2.6 本章小结

第三章 爆破地震波下砌体建筑物动力有限元研究

3.1 引言

3.2 LS-DYNA动力分析简介

3.3 动力有限元模型

3.3.1 有限元模型基本假定

3.3.2 数值模拟中模型参数

3.3.3 砌体建筑物各部件几何模型及有限元模型

3.4 重力场作用下数值模拟分析

3.4.1 重力场下砌体建筑物的应力分析

3.4.2 重力场下建筑物的位移分析

3.5 爆破地震波荷载作用下数值模拟分析

3.5.1 砌体建筑物模态及振型分析

3.5.2 不同构件在竖直方向爆破地震波作用下的动力响应

3.5.3 不同构件在水平切向方向爆破地震波作用下的动力响应

3.5.4 不同构件在水平径向方向爆破地震波作用下的动力响应

3.5.5 不同方向爆破地震波作用下砌体动力响应

3.5.6 不同爆心距处竖直爆破地震波下砌体动力响应

3.5.7 不同爆心距处水平切向爆破地震波下砌体动力响应

3.5.8 不同爆心距处水平径向爆破地震波下砌体动力响应

3.5.9 不同爆心距处砌体建筑物动能分析

3.5.10 不同爆心距处砌体建筑物内能分析

3.6 本章小结

第四章 砌体建筑物滞回耗能影响因素研究

4.1 引言

4.2 单自由度体系

4.3 建筑物恢复力模型

4.3.1 双线性恢复力模型

4.3.2 半退化三线性恢复力模型

4.3.3 三线性恢复力模型

4.4 Newmark-β时程分析法

4.4.2 多自由度体系Newmark-β法的逐步积分公式

4.4.4 Newmark-β法的稳定性

4.5 滞回耗能

4.6 爆破地震波滞回耗能谱影响因素研究

4.6.1 振幅对滞回耗能的影响

4.6.2 主频对滞回耗能的影响

4.6.3 持续时间对滞回耗能的影响

4.7 天然地震波作用下砌体建筑物滞回耗能影响因素研究

4.7.1 振幅对滞回耗能的影响

4.7.2 主频对滞回耗能的影响

4.7.3 持续时间对滞回耗能的影响

4.8 建筑物参数对滞回耗能的影响

4.8.1 阻尼比对滞回耗能的影响

4.8.2 固有周期对滞回耗能的影响

4.9 本章小结

第五章 砌体建筑物滞回耗能计算研究

5.1 引言

5.2 损伤模型

5.3 滞回耗能的估算

5.3.1 基于等效刚度的滞回耗能的估算研究

5.3.2 算列分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 本文主要成果与结论

6.2 展望

参考文献

作者简介及在学期间所取得科研成果

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摘要

针对国内既有爆破震动安全评判标准(GB6722-2014)不能反应建筑物塑性累计损伤问题,对砌体建筑物动力响应及滞回耗能进行了相关研究。从能量平衡方程出发,建立了砌体建筑物的滞回耗能估算式,主要通过实测爆破地震波数据分析、三维数值模拟、数值分析及理论推导相结合,由浅入深对爆破震动进行了相关分析,并取得一定的研究成果,本文主要工作及研究成果如下:
  (1)基于最小二乘法,对某实测爆破信号进行了振速和频率特性分析。分析结果表明爆破地震波三个振速分量中以垂直方向较大,且垂直方向振速规律性明显,而水平径向和水平切向振速离散性较大;爆破地震波的平均频率表现出较好的衰减规律。基于HHT变换,分析了爆破地震波Hilbert能量谱、边际谱和瞬时能量谱。结果表明Hilbert能量除局部表现出突变异常之外,整体表现为衰减趋势;边际谱中爆破地震波的中、高频部分衰减迅速,而低频部分则相对衰减缓慢;瞬时能量则具体较好规律性,随着爆心距的增加,瞬时能量逐渐递减。
  (2)利用ANSYS/LS-DYNA对某三层砌体建筑物进行了三维数值模拟,研究结果表明高程对振速都有一定的放大效应,同时相同高程处不同部件之间由于其固有频率的差异性,导致其动力响应也出现差异化。由于爆破地震波高频部分衰减较快,因此在不同爆破地震波频率下,砌体建筑物动力响应表现出不同的形态,具体为近场区以竖直向较高频荷载为主,远场区水平向低频荷载为主。
  (3)基于Newmark-β编程,分析了爆破地震波三要素及建筑物阻尼比、固有周期对滞回耗能的影响,并与天然地震波下滞回耗能进行了对比,研究结果表明,滞回耗能随着振幅的增加、持时的增加而增大,同时当地震波主频率和建筑物固有频率相接近时,出现明显的放大作用,而建筑物阻尼比与滞回耗能的则是反相关,即在保证体系总输入能量不变的情况下,滞回耗能随着阻尼的增大而减小,同时当建筑物固有周期接近爆破地震波周期时会引起共振。
  (4)基于能量平衡方程,将滞回耗能分离出来,从等效刚度角度提出滞回耗能估算式,同时与Chai-Fajfar模式下估算值和数值计算结果进行对比。算例表明根据此估算式求得的滞回耗能结果虽然偏大,但具有一定的可靠性,表明此算法具有一定的参考价值和意义。

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