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白建方 著

图书标签:

• 地震工程
• 结构动力学
• 场地效应
• 地震反应分析
• 有限元分析
• 数值方法
• 岩土工程
• 抗震设计
• 地基工程
• 地震风险评估

出版社： 中国铁道出版社

ISBN：9787113109967

版次：1

商品编码：10335159

包装：平装

开本：16开

出版时间：2010-04-01

用纸：胶版纸

页数：249

字数：395000

正文语种：中文

内容简介

《场地地震反应分析导论》系统地介绍了场地地震反应分析领域内有代表性的计算方法。全书共分7章：绪论，场地地震反应分析中几类典型问题，一维场地模型地震反应分析，二维场地模型地震反应分析，三维场地模型地震反应分析的并行有限元方法，场地随机地震反应分析，场地地震反应分析中的常用软件。
《场地地震反应分析导论》可供从事土木工程防震减灾研究、区域性地震区划和地震安全性评价工作的工程人员和地震工作者参考。

目录

第1章 绪 论
1.1 场地地震反应分析意义
1.2 场地地震反应分析研究现状
1.3 场地地震反应分析流程
参考文献

第2章 场地地震反应分析中几类典型问题
2.1 人工边界条件
2.2 土的动力本构模型
2.3 基岩地震动
2.4 土体的阻尼模型
2.5 本章小结
参考文献

第3章 一维场地模型地震反应分析
3.1 场地动力特性的测定与估算
3.2 一维场地模型地震反应分析的解析方法
3.3 变参数土层地震反应分析的半解析方法——直接模态摄动法
3.4 水平成层场地地震反应的时域分析法
3.5 水平成层场地地震反应的频域分析法
3.6 本章小结
参考文献

第4章 二维场地模型地震反应分析
4.1 土层地震反应分析的基本方程
4.2 动力方程的求解
4.3 土层时域分析中的阻尼矩阵
4.4 行波输入时有限元网格的划分原则
4.5 场地地震反应的频域分析法
4.6 本章小结
参考文献

第5章 三维场地模型地震反应分析的并行有限元方法
5.1 理论基础
5.2 一致输入下土层地震反应分析的约束子结构法
5.3 行波输入下土层地震反应分析的约束子结构法
5.4 串行有限元程序的面向对象分析与实现
5.5 并行有限元程序的面向对象分析与实现
5.6 程序性能测试与评价
5.7 土层有限元建模的两个问题研究
5.8 实际场地的并行有限元分析
5.9 本章小结
参考文献

第6章 场地随机地震反应分析
6.1 层状土层随机地震反应分析
6.2 基于模态摄动法的层状土层随机地震反应近似解法
6.3 基于虚拟激励法的场地随机地震反应近似解法
6.4 非线性土层复合随机振动的研究
6.5 本章小结
参考文献

第7章 场地地震反应分析中的常用软件
7.1 有限元方法和CAE技术
7.2 MSC系列大型通用有限元软件介绍
7.3 ANSYS程序及其并行计算功能的二次开发
7.4 一维土层地震反应线性化计算程序LSSRLI-1.FOR
7.5 二维土层地震反应有限元计算程序SR2D
7.6 三维土层地震反应分析并行有限元程序ParaSR3D
7.7 本章小结

参考文献
附录A 三维场地面向对象有限元程序主要类的接口
附录B 上海铁路南站站房建筑工程勘察的静力触探分层参数表
附录C 协均方差矩阵的相关结构分解
附录D 一维等效线性化土层地震反应计算程序框图

精彩书摘

进行场地地震反应分析的具体目标是：根据场地地震反应特点进行场地地震反应分区；确定不同场地地质条件下设计反应谱；提供不同场地地质条件下地震动时程曲线，主要为加速度时程曲线。
如何通过场地地震反应分析，达到上述具体目标，这里有方法手段问题，也有实现的思路问题。通过前面对国内外研究现状的介绍，可以发现，在土层的地震反应分析领域，其研究手段无外乎以下三种：理论分析、试验研究和数值计算。随着计算机技术的发展以及考虑到土层自身的复杂性，数值计算越来越引起人们的重视。首先，对于实际场地这种几何形状和物理特性都很复杂的研究对象来说，用纯理论的方法很难获得解析解；其次，对于复杂场地进行足尺室内试验的可能性不存在，采用缩尺模型后，由于边界条件很难模拟且某些相似条件无法满足，则多少会影响到试验结果的适用范围。而现场试验则往往是针对具体工程进行的，作为对理论或数值计算的验证意义重大，但难以靠现场试验总结出适用于绝大多数场地的定性的规律，同时试验费用也相当高。基于上述考虑，目前在进行该领域的研究中，数值计算成为了主流方法，其中又以有限单元法为使用的最多的方法。
利用数值方法进行场地地震反应分析的具体思路是：
（1）把场地地震工程地质单元作为一个“结构体”，由场地地质特征和场地动力学特性来表示“结构体”特征，把来自震源、在大尺度范围传播的地震波作为输入，研究“结构体”的地震动效应，以地震反应谱或地震动时程作为场地地震反应输出。
（2）场地地震反应涉及到震源、波传播介质和场地地质环境三个方面。为了分析简便，可以分为两步，第一步先确定场地岩石地震动，作为现场输入；第二步根据“结构体”地震反应特征来确定场地地震动输出。
（3）以场地地质及其动力性质和震害经验为基础的场地地震工程地质单元是场地最小地震反应分析的单位，因此，在进行场地地震反应分析以前，应先进行场地地震工程地质单元划分。
（4）以场地地震工程地质单元的地震反应分析的结果（输出）为基础，结合场地基本地质环境和工程的使用，对地质单元地震反应进行归类与合并，以确定出场地地震反应的最终结果，实现场地地震反应分析具体目标，并作为场地地震反应分区——地震小区划的基础。
对于上述思路，可用场地地震反应分析流程图（图1.2）来表示。
从图1.2可以看出，场地地震反应研究，主要由下列三部分组成：
（1）确定场地基岩地震动，它是场地地震反应分析的输入。这里涉及到输入地震波的选择、输入基岩面的等问题。、
（2）场地地震单元及其动力性质研究，它是场地地震反应分析的具体对象——结构体，是建立地震反应分析模型的基础。此处涉及到土体的人工边界、土的动力本构关系、阻尼模型等问题。
（3）场地地震反应计算。把输入送到结构体，输出反映场地特征、满足一定目的的地震动，完成整个场地地震反应分析研究，也就是具体的场地地震反应计算的各种方法。
对于第（1）、（2）部分涉及的内容本书将在第2章仅引入一些成熟的理论和方法。第（3）部分则是本书介绍的重点。

前言/序言

　　我国属于多地震国家，地震引起的建筑物和工程设施的倒塌和破坏导致了大量人员伤亡和经济损失。在历次震害调查中，经常会发现烈度异常现象，即某个局部地区的震害比其周围地区明显的重或轻的现象。烈度异常是由于局部地区的工程地质条件与周围地区有显著的差异引起的。这些工程地质条件包括地形、地貌、覆盖层的生成年代、厚度、土的软硬、地下水位的埋深等。通常，覆盖层是由几层土层组成。一般把覆盖层的组成、每层土的厚度、软硬叫做场地的土层条件。不同的场地土层条件是导致烈度异常的主要原因。
　　大震害及国际研究动态表明，目前对场地在地震作用下的性态远没有认识充分，岩土地震工程的研究水平与工程结构的抗震设计要求相比处于落后状态，对许多基本问题尚缺乏合理的分析方法，其中的很多问题是工程上急需解决的。一方面，作为地震波的传播介质，场地土的分布和动力特性对强地震动有着很大的影响，很大程度上决定着工程结构的地震动输入；另一方面，土体作为工程结构的地基，以及土坝、码头、岸堤、挡土墙等土工构筑物和天然边坡的材料，其变形和强度对结构的地震破坏影响非常大，在很多情况下甚至起着决定性作用。因此复杂场地的土层地震反应分析对确定上部结构的地震动输入模式和进行抗震安全性评价均具有重要意义。
　　本书系统地介绍了国内外在场地地震反应分析领域中有代表性的一些计算方法。全书主要内容包括：
　　第1章绪论部分介绍了场地地震反应分析的意义以及目前国内外在该领域的研究现状，并给出了进行场地地震反应分析的流程图。第2章集中介绍了几类在场地地震反应分析中常遇到的问题以及相应的处理手段，包括人工边界条件、土的动力本构模型、基岩地震动的选择以及土的阻尼问题。第3章至第5章属于场地的确定性研究方法，分别按场地的特点来组织内容。其中第3章介绍的是一维场地模型地震反应分析中常用到的解析法、半解析法和数值方法，数值方法中分别给出了时城内和频域内的不同解法。第4章介绍了二维场地模型的地震反应分析，分别给出了时域内不同地震波输入方式下土层反应的求解以及频域内场地地震、.反应分析的计算原理和步骤。第5章介绍了三维场地地震反应分析的并行有限元方法，分别介绍了计算原理、串行程序的设计和并行程序的实现。第6章集中介绍了场地的随机地震反应分析中几类有代表性的解法。最后在第7章对场地地震反应分析中常用的几种软件进行了介绍，既包括通用的有限元软件，也包括专业的土层分析计算程序。
　　本书的特点：一是针对性强，即仅对场地土层在地震作用下的求解方法进行了介绍；二是注重实用性。对场地进行地震反应分析的方法有很多，本书仅选择了其中比较成熟，便于应用到实际的一些方法进行了详细的介绍。在介绍每种方法时不仅给出了计算原理，还尽可能地给出了相应的计算步骤，以利于研究人员在实际中的应用。

结构动力学与土体动力响应研究前沿 本书旨在为土木工程、岩土工程及相关领域的研究人员、工程师和高级学生提供一个全面深入的视角，探讨在地震或其他动态荷载作用下，复杂地质条件与工程结构之间相互作用的理论基础、数值模拟方法以及工程应用实践。 本书不涉及特定场地的地震反应分析的具体案例或详细步骤，而是侧重于支撑这些分析的更基础和前沿的动力学原理与模型构建。 第一部分：动力系统的理论基础与先进建模 本部分聚焦于理解和描述动态系统行为所需的理论框架，并介绍用于构建高保真数字模型的先进数学工具。 第一章：振动系统的基本方程与模态分析的深化 本章从经典的牛顿第二定律和拉格朗日方程出发，推导连续体和离散化系统的运动方程。重点探讨如何准确识别和计算结构的固有频率、阻尼比以及振型。内容将深入到非线性动力学中的小区间模态分析，以及在高频段振动中子结构（Substructure）表示法的应用。特别关注阻尼模型的物理意义，如粘滞阻尼、材料阻尼和构件阻尼的耦合处理，以及如何将其有效地嵌入到有限元框架中。 第二章：先进材料本构模型的动力学表述 地震作用下，土体和结构材料表现出复杂的非线性、率相关和历史依赖性。本章将详细阐述描述这些行为所需的先进本构模型。对于土体，将深入探讨广义塑性理论（Generalized Plasticity）在动力分析中的应用，特别是涉及临塑性面（Capping Surface）和应变软化现象的复杂模型，例如修正的剑桥模型在高速加载条件下的局限性及改进方案。对于混凝土和钢材，将讨论损伤力学（Damage Mechanics）框架下的本构关系，重点分析微裂缝扩展的演化方程以及其对结构整体刚度的动态退化效应。此外，本章还将介绍黏弹性与黏塑性材料在时域分析中的数值实现技巧。 第三章：偏微分方程的数值求解策略 动力分析的核心在于高效且准确地求解控制运动的偏微分方程。本章比较了有限元法（FEM）、有限差分法（FDM）和无网格法（Meshless Methods）在处理强非线性和大变形问题时的优缺点。重点内容包括： 1. 时间积分算法的收敛性与稳定性： 深入分析Newmark-$eta$法、中心差分法（Central Difference Method）以及更先进的增量平衡法（Generalized-$alpha$ Method）的条件稳定域和能量守恒特性。 2. 非线性迭代策略： 详述牛顿-拉普森法（Newton-Raphson）、修正牛顿法（Modified Newton）及其在处理接触与摩擦问题时的效率提升，特别是线搜索（Line Search）算法的优化。 3. 空间离散化的高级主题： 探讨p-FEM（高阶有限元）和xFEM（扩展有限元）在捕捉冲击波传播和材料界面分离问题中的优势。 第二部分：波传播、散射与场地效应的理论边界 本部分侧重于地震波在介质中的传播机理，以及如何精确模拟波场在复杂地质界面上的反射、折射和散射现象。 第四章：地震波的半解析与边界积分方程法 本章关注非线性区域（如结构基础）与周围弹性介质（土体）的动态耦合问题。传统有限元方法在模拟无限域时需要截断边界，引发边界反射误差。本章将详细介绍半解析法（Semi-analytical Methods），例如在频率域内求解Hankel变换的反演，以精确描述波在半空间中的衰减。 重点讨论边界积分方程法（BEM）的应用，该方法将问题的维度降低，仅在需要考虑非线性的边界上离散化，极大地提高了远场波吸收的精度。内容将涉及Green函数的构建及其在三维黏弹性半空间中的精确表达。 第五章：非均匀介质中的波场散射与衍射 本地场地效应本质上是地震波在复杂地下结构（如山谷、盆地边缘、软弱土层夹层）中的散射和衍射现象。本章将利用谱元法（Spectral Element Method, SEM）来分析高频波场的精细结构。SEM结合了高阶多项式插值和基于傅里叶分解的时间积分，能有效捕捉波前的尖锐变化和色散效应。内容涵盖： 1. 高阶近似与相速度误差控制： 如何选择多项式阶次以最小化数值色散。 2. 复杂界面的处理： 针对地下断层带或复杂岩体界面上的波能重新分配机制。 第六章：随机振动理论与不确定性量化 实际工程输入永远带有不确定性。本章将从随机振动理论（Stochastic Vibration Theory）的角度审视地震输入和介质参数的随机性。内容将超越传统的单值输入分析，深入到： 1. 随机场理论（Random Field Theory）： 如何描述地质参数（如剪切波速、密度）在空间上的相关性结构（Correlation Structure）。 2. 性能指标的概率评估： 运用蒙特卡洛模拟（Monte Carlo Simulation）、随机响应面法（Response Surface Method）以及更高效的概率演化方程，来量化系统在特定性能水平（如失效概率或超越某个位移阈值的概率）下的风险。 3. 可靠性分析的动态扩展： 将时间历程的随机性纳入到一次二阶矩（FORM）或二阶矩（SORM）的可靠性评估框架中。 第三部分：结构-环境相互作用的耦合机制 本部分不再将结构和场地视为独立实体，而是探讨它们之间复杂的双向反馈机制，即土-结构动力相互作用（SSI）。 第七章：运动学相互作用与惯性相互作用 SSI 是理解深基础、大跨结构在强震响应中的关键。本章将详细剖析SSI的两个核心组成部分： 1. 运动学相互作用（Kinematic Interaction）： 描述由于地基扰动造成的结构基础运动与自由场运动之间的差异。本章将引入等效刚度矩阵（Equivalent Stiffness Matrix）和等效阻尼矩阵（Equivalent Damping Matrix）的频率依赖性推导，特别是针对深嵌基础或桩基的半解析解模型。 2. 惯性相互作用（Inertial Interaction）： 考虑结构质量对周围土体应力场的影响。重点是模态解耦与重组技术，以及在非线性土体中如何近似地处理惯性反馈的非对称性。 第八章：非线性相互作用的计算策略 在强震作用下，基础与土体界面极易进入非线性状态，这使得传统的线性SSI模型失效。本章探讨处理非线性SSI问题的计算方法： 1. 局部非线性区域处理： 采用局部子结构模型（Localized Substructure Modeling），将基础周围的非线性土体用精细的、包含塑性点的模型来代替，并将其与外部弹性介质通过阻抗函数（Impedance Functions）连接。 2. 接触与滑移模拟： 详述如何使用惩罚函数法（Penalty Method）或拉格朗日乘子法（Lagrange Multiplier Method）精确控制基础底面与土体之间的接触、分离和摩擦行为。 第九章：先进振动控制技术与动力响应的优化 本章将研究如何利用动力学原理来设计和评估主动或被动振动控制系统，以减轻结构的地震灾害。内容包括： 1. 主动质量阻尼器（AMD）与调谐液体阻尼器（TLD）的动力反馈控制律设计： 基于LQR（线性二次调节器）优化方法来确定最优控制力或阻尼参数，以最小化结构在随机地震输入下的响应指标。 2. 基础隔震与吸能支座的非线性动力分析： 深入研究高阻尼橡胶支座（HDRB）的时间依赖性（Aging）和温度敏感性对长期隔震性能的影响，以及摩擦摆式隔震器在多向运动下的接触动力学。 本书为读者提供了从基本控制方程到前沿数值方法、从材料本构到系统相互作用的完整理论框架，旨在推动对复杂动力问题理解的深度和广度。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计非常引人注目，整体色调沉稳而专业，书名“场地地震反应分析导论”几个字烫金印刷，显得十分大气。我拿到这本书后，首先就被它厚实的纸张和精美的排版所吸引，每一页都充满了学术的严谨和对细节的追求。打开书本，扑面而来的是一股浓厚的学术气息，目录的设置清晰明了，让我对全书的结构有了初步的认识。虽然我对于“场地地震反应分析”这个专业术语有些陌生，但从书名和封面传递出的信息来看，这无疑是一本能够系统性介绍该领域知识的入门级读物。我尤其关注的是它在内容编排上是否能循序渐进，是否适合初学者从零开始理解复杂的概念。书中是否会包含一些基础性的地震学原理，以及如何将这些原理应用于场地响应的分析，这是我非常期待的。对于我这样一位对土木工程和地震工程有初步了解但缺乏专业深入研究的读者而言，一本好的导论性书籍就像一座桥梁，能够帮助我跨越知识的鸿沟，进入更广阔的学术天地。这本书的专业性和权威性，让我有理由相信它能成为我学习道路上的重要伙伴。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我的整体印象是，它确实是一本“导论”，但绝非泛泛而谈。它在介绍场地地震反应分析的各个方面时，都力求做到言简意赅，同时又不失学术的严谨性。我注意到书中对一些关键理论的推导过程并没有过于详尽，这恰恰是导论性书籍的优点，它能让读者把握核心思想，而不是纠缠于细枝末节。例如，在介绍场地频谱特性的部分，书中清晰地阐述了场地周期与地震动周期匹配时可能产生的共振效应，并给出了相应的简明解释。此外，我还发现书中似乎提及了一些数值模拟方法的基本思想，虽然没有深入讲解具体的算法，但足以让读者意识到现代场地地震反应分析离不开计算工具的支持。对于我来说，能够了解这些方法的存在和基本原理，就已经非常有价值了，这为我未来进一步深入学习打下了基础。这本书的篇幅适中，内容紧凑，不会让人觉得冗长，读起来既有学习的满足感，又不至于产生疲惫感。

评分☆☆☆☆☆

我对于这本书在实际应用层面的侧重感到非常满意。它不仅仅停留在理论层面，而是将抽象的分析方法与实际的工程问题紧密结合。书中出现的案例分析，虽然没有详细展开，但足以说明场地地震反应分析在工程设计中的重要性，例如如何根据场地条件选择合适的抗震设计参数，如何评估地震荷载对结构的潜在影响等。这对于我这样一位希望了解学术研究如何指导实际工程的读者来说，非常有启发性。书中对一些关键概念的阐述，比如场地效应的放大系数、场地卓越周期等，都通过清晰的图表和简明的文字进行了说明，让我能迅速领会其物理意义。我尤其关注的是书中是否提及了不同类型的场地（如硬场地、软场地、坡地场地）的地震反应差异，以及这些差异在实际工程中需要考虑哪些因素。这本书的实用性，让我觉得它不仅仅是一本学术著作，更是一本指导工程实践的参考书。

评分☆☆☆☆☆

读罢此书，我最大的感受是其内容的广度与深度都恰到好处，尤其适合我这类想要快速建立起对场地地震反应分析基本概念的读者。书中并没有直接抛出艰深的数学公式或复杂的工程实例，而是从最基础的地震波传播原理讲起，一步步引导读者理解不同场地条件（如土层厚度、土体性质）如何影响地震波的放大效应和频率特性的变化。我特别欣赏它在讲解过程中融入的图示和模型，那些清晰的示意图仿佛在我脑海中构建了一个动态的三维地震场地模型，让抽象的概念变得直观易懂。书中对场地动力特性、场地衰减规律等核心内容的阐述，也让我对地震动在不同地质条件下的差异有了更深刻的认识。虽然我并不是直接从事相关研究的专业人士，但通过这本书，我能够理解为何在地震发生时，不同区域的破坏程度会存在如此大的差异，也明白了场地本身的性质在其中扮演着至关重要的角色。这本书的叙述语言流畅，逻辑性强，即使是初次接触的读者，也能在不感到压力的前提下，逐步掌握关键知识点。

评分☆☆☆☆☆

总的来说，这本书在内容上非常扎实，它循序渐进地为我构建了一个关于场地地震反应分析的清晰框架。书中对地震动传播路径、场地土体动力特性、以及场地边界条件等关键因素的阐述，都具有很高的专业性。我特别欣赏书中对一些复杂现象的简化和提炼，例如，它并没有详细讲解复杂的波动方程求解，而是通过直观的物理类比来解释地震波在不同介质中的传播。这对于理解场地地震反应的本质非常有帮助。我注意到书中可能还涉及了一些关于场地地震反应分析的常用方法和模型，即使只是简要介绍，也足以让我对这一领域的研究现状和发展趋势有一个初步的了解。这本书的排版精良，字体清晰，阅读起来非常舒适。对于我这样一位希望在短时间内了解场地地震反应分析核心知识的读者而言，这无疑是一本非常合适的入门教材。它让我看到了这个领域的研究深度和广度，也激发了我进一步探索的兴趣。