深地流体环境下空间结构地震响应及安全评估研究

Super-deep underground space development is one of the major development strategies of China. The super-deep underground spatial structure is commonly used for strategic materials reserve and scientific experiments. The particular structural form and the fluid environments make it challenging for the structural seismic analysis. This project intends to carry out the research systematically on seismic response and safety assessment of super-deep underground spatial structures in fluid environments. The aspects of calculation model, seismic response analysis, shaking table test and safety assessment will be researched in depth. A high-precision calculation model for seismic response analysis of super-deep underground spatial structures will be built from the aspects of site ground motion, fluid-structure interaction (FSI) and multi-scale modeling. The seismic response law of the structure and fluid considering FSI will be investigated to provide a scientific basis for structural design and optimization. A shaking table test for spatial structures with FSI will be conducted to verify the correctness of the numerical model. The component and system seismic fragility analysis will be conducted, and a method for seismic safety assessment of the structures will be proposed. Theoretical analysis, numerical simulation and experimental research will be used in this project. This research will address the key issues of super-deep underground seismic input, response analysis considering FSI, and structural seismic safety assessment. This project aims to ensure the safety of super-deep underground spatial structures. The research will improve the computation method and design theory of spatial structures, and provide theoretical and technological support for the design and construction of super-deep underground spatial structures.

深地空间开发是国家重大发展战略之一。深地空间结构是进行战略物资储备和科学实验的常用结构，其特殊的结构形式和所处的流体环境使此类结构地震分析面临挑战。本项目致力于深地流体环境下空间结构的地震响应及安全评估，对计算模型、地震反应分析、振动台试验、安全评估四个方面展开研究。从场地地震动、流固耦合作用、多尺度精细化三个方面建立深地空间结构地震反应分析的高精度计算模型，探究结构和流体的流固耦合地震响应规律，为结构设计和优化提供科学依据。开展具有流固耦合作用的空间结构振动台试验，验证数值模型的正确性。开展构件和结构体系地震易损性分析，形成深地空间结构地震安全评估技术手段。采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的研究方法，解决深地地震动输入、流固耦合响应计算、地震安全性评估关键问题。项目旨在保障深地空间结构的安全性，提高空间结构的计算方法与设计理论水平，为深地空间结构的设计和建造提供理论指导和技术支持。

深地空间开发是“十四五”国家重大发展战略之一。项目针对深地流体环境下空间结构地震响应及安全评估中的关键问题展开研究，在计算模型、地震反应分析、模型试验、敏感性分析、结构优化等方面取得了成果。提出了用于场地地震动分析的半无限地基近场区域有限元模型，发展了基于“反演-正演”的深地地震动输入计算方法；提出了关键节点分析的多尺度建模方法和非精细化节点刚度修正方法，建立了深地空间结构与节点协同分析的多尺度精细化模型；建立了考虑流固耦合作用的位移-速度势有限元方程，提出了深地空间结构流固耦合分析的有限元模型。以国家大科学装置江门深地中微子实验探测器结构为背景，开展了深地空间结构地震响应研究；建立了结构-节点多尺度协同分析模型，获得了关键节点的应力分布；建立了流固耦合地震分析模型，提出了结构阻尼计算方法；研究了流固耦合作用下结构的自振频率、振型等动力特性，深入分析了结构在不同震级下的抗震性能。设计并制作了典型深地空间结构的缩尺模型，采集了结构位移、水压力等试验数据，研究了无流体、内部流体、内外流体情况下结构的流固耦合响应。发展了结构综合敏感性分析方法，建立了高效的多项式混沌扩展代理模型，研究了线性和非线性旋转稳定性对不确定参数的敏感性，为深地空间结构易损性分析提供了手段。提出了基于无梯度算法的结构优化方法，以支撑杆力最小化为目标开展了结构优化，为深地空间结构地震响应优化奠定了基础。项目执行期内，共发表SCI论文10篇、EI论文2篇、会议论文1篇，授权软件著作权2项，获中国钢结构协会科技创新奖1项。项目培养或协助培养了博士后2名、博士研究生2名、硕士研究生3名。项目成果为国家大科学装置江门深地中微子实验探测器结构的设计分析提供了技术支持，促进了空间结构技术在深地空间开发中的应用。