地震动输入方法、设备及存储介质与流程

本发明属于土工抗震，尤其涉及一种考虑场址地质地形效应的地震动输入方法、设备及存储介质。

背景技术：

1、场址处的地质地形条件对地震波传播存在散射、放大等效应，会显著影响区域地震动传播与结构动力响应，在进行土结动力计算时，应当给予考虑。

2、在考虑了场址的真实地质地形条件时，如何将地震动输入至计算模型便成为首当其冲要解决的问题。现有的地震动输入理论，多是先通过解析法获得场地的自由波场，随后将自由波场转换为边界处的等效荷载，实现地震动输入。然而，当考虑场址真实的地质地形条件时，无法使用解析法直接得到场址的自由波场，因此需要提出新的地震动输入方法。

3、一些学者针对二维不规则地形场址的地震动输入问题，做出了一些研究工作，但考虑场址三维地质地形效应的地震动输入方法与结构动力响应分析，目前仍未见相关研究。

4、基于上述原因，提出了一种考虑场址三维地形效应的地震动输入方法，可以为岩土工程、水利工程的地震传播过程与结构动力计算分析提供重要参考。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种地震动输入方法、设备及存储介质，以解决当考虑场址真实的地质地形条件时，无法使用解析法直接得到场址的自由波场，无法实现地震动输入的问题。

2、本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种地震动输入方法，包括以下步骤：

3、构建考虑真实地质地形条件的场址有限元模型，并提取所述场址有限元模型的最外侧一层单元作为动力计算辅助模型，所述动力计算辅助模型包括底部边界块、四个侧面边界块以及四根一维角柱；所述一维角柱位于相邻两个侧面边界块之间；

4、计算所述底部边界块的等效地震荷载；

5、基于所述底部边界块的等效地震荷载，对每个所述一维角柱进行动力计算，得到所述一维角柱的自由场地震动时程；

6、基于所述一维角柱的自由场地震动时程，计算所述一维角柱的等效地震荷载；

7、基于所述底部边界块和一维角柱的等效地震荷载，对每个所述侧面边界块进行动力计算，得到所述侧面边界块的自由场地震动时程；

8、基于所述侧面边界块的自由场地震动时程，计算所述侧面边界块的等效地震荷载；

9、将所述底部边界块和侧面边界块的等效地震荷载输入至所述场址有限元模型中，进行考虑场址地质地形条件的动力响应分析。

10、进一步地，所述底部边界块的等效地震荷载的具体计算过程为：

11、从所述动力计算辅助模型中提取出底部边界块，并在所述底部边界块的出平面外侧节点施加粘性阻尼器；其中，所述底部边界块的出平面外侧节点是指底部边界块底面上的节点，底部边界块的出平面内侧节点是指底部边界块顶面上的节点，底部边界块的顶面是指朝向动力计算辅助模型内的一面；

12、对所述底部边界块的每个节点施加入射地震动时程，再对所述底部边界块进行动力计算，得到所述底部边界块的出平面外侧节点的反力时程，所述底部边界块的出平面外侧节点的反力时程为所述底部边界块的等效地震荷载。

13、进一步地，所述底部边界块的等效地震荷载的具体计算公式为：

14、

15、其中，fbottom为底部边界块的等效地震荷载；ρ为介质密度；c为介质波速，t为节点控制面积，底部边界块上某一节点的节点控制面积t等于该节点周围单元的总面积除以单元个数；为入射波场的速度时程。

16、进一步地，对所述一维角柱进行动力计算，得到所述一维角柱的自由场地震动时程，具体包括：

17、从所述动力计算辅助模型中提取出四根一维角柱，并在每根一维角柱的最底部一层节点施加粘性阻尼器；

18、对于每根一维角柱，在所述一维角柱的最底部一层节点施加所述底部边界块的等效地震荷载，再对所述一维角柱进行动力计算，得到该一维角柱的自由场地震动时程的数值解。

19、进一步地，每根所述一维角柱的等效地震荷载的具体计算过程为：

20、从所述动力计算辅助模型中提取出四根一维角柱，并在每根一维角柱的外侧节点施加粘性阻尼器；

21、对所述一维角柱施加该一维角柱的自由场地震动时程，再对所述一维角柱进行动力计算，得到所述一维角柱的外侧节点的反力时程，所述一维角柱的外侧节点的反力时程为所述一维角柱的等效地震荷载。

22、进一步地，对所述侧面边界块进行动力计算，得到所述侧面边界块的自由场地震动时程，具体包括：

23、从所述动力计算辅助模型中提取出四个侧面边界块，并在每个侧面边界块的平面内侧面节点和底面施加粘性阻尼器；其中，所述平面内侧面节点是指与一维角柱接触的节点；

24、对于每个侧面边界块，在所述侧面边界块的平面内侧面节点和底面施加所述底部边界块的等效地震荷载和一维角柱的等效地震荷载；在所述侧面边界块的出平面外侧节点、出平面内侧节点施加周期性边界约束，以模拟侧面边界块的平面应变条件，其中周期性边界约束公式为：

25、{ua}＝{ub}

26、其中，{ua}为出平面外侧节点的位移向量，{ub}为出平面内侧节点的位移向量。

27、对所述侧面边界块进行动力计算，得到所述侧面边界块的自由场地震动时程。

28、进一步地，计算所述侧面边界块的等效地震荷载的具体计算过程为：

29、从所述动力计算辅助模型中提取出四个侧面边界块，并在每个侧面边界块的出平面外侧节点施加粘性阻尼器；

30、对所述侧面边界块施加该侧面边界块的自由场地震动时程，再对所述侧面边界块进行动力计算，得到所述侧面边界块的出平面外侧节点的反力时程，所述侧面边界块的出平面外侧节点的反力时程为所述侧面边界块的等效地震荷载。

31、进一步地，所述侧面边界块的等效地震荷载的具体计算公式为：

32、

33、其中，fside为侧面边界块的等效地震荷载，a为出平面外侧节点，b为出平面内侧节点，[m]、[c]和[k]分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；为质量矩阵[m]中行、列分别为a、b节点的子块；为b节点的自由场加速度时程，为质量矩阵[m]中行、列均为a节点的子块，为a节点的自由场加速度时程，为阻尼矩阵[c]中行、列分别为a、b节点的子块；为b节点的自由场速度时程，为阻尼矩阵[c]中行、列均为a节点的子块，为a节点的自由场速度时程，为刚度矩阵[k]中行、列分别为a、b节点的子块，为b节点的自由场位移时程，为刚度矩阵[k]中行、列均为a节点的子块，为a节点的自由场位移时程。

34、进一步地，所述粘性阻尼器的阻尼系数的计算公式为：

35、

36、

37、其中，cbt为切向阻尼器的阻尼系数，cbn为法向阻尼器的阻尼系数，ρ为介质密度，cp为介质纵波波速，cs为介质剪切波速，λ、g均为介质拉梅常数，e为介质的弹性模量，ν为泊松比。

38、基于同一构思，本发明还提供了一种电子设备，所述设备包括：

39、存储器，用于存储计算机程序；

40、处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上所述地震动输入方法的步骤。

41、基于同一构思，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述地震动输入方法的步骤。

42、有益效果

43、与现有技术相比，本发明的优点在于：

44、本发明建立考虑真实地质地形条件的场址有限元模型的动力计算辅助边界，计算底部边界块的等效地震荷载，基于底部边界块的等效地震荷载，计算一维角柱的自由场地震动时程；基于一维角柱的自由场地震动时程，计算一维角柱的等效地震荷载；基于底部边界块和一维角柱的等效地震荷载，计算侧面边界块的自由场地震动时程；基于侧面边界块的自由场地震动时程，计算侧面边界块的等效地震荷载；将底部边界块和侧面边界块的等效地震荷载输入至场址有限元模型中，利用有限元方法计算三维真实地质地形条件下场址与工程结构的动力响应。本发明能够简单有效地实现考虑真实地质地形效应的场址处的地震动输入。

45、本发明各个步骤的动力计算，借助于商业软件即可实现，无需复杂的编程，易于实现。