基于OpenSees的地震动输入方法开发：以土−桩−核岛结构相互作用分析为例

doi:10.16285/j.rsm.2025.0056

岩土力学 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (12): 3958-3972.doi: 10.16285/j.rsm.2025.0056CSTR: 32223.14.j.rsm.2025.0056

基于OpenSees的地震动输入方法开发：以土−桩−核岛结构相互作用分析为例

巴振宁^{1, 2, 3}，徐光景³，阔晨阳³，梁建文^{1, 2, 3}

1. 天津大学中国地震局地震工程综合模拟与城乡抗震韧性重点实验室，天津 300350； 2. 天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300350；3. 天津大学建筑工程学院，天津 300354

收稿日期:2025-01-14 接受日期:2025-04-29 出版日期:2025-12-11 发布日期:2025-12-20
通讯作者: 阔晨阳，女，1997年生，博士研究生，主要从事土?结构相互作用等方面的研究工作。E-mail: kcy@tju.edu.cn
作者简介:巴振宁，男，1980年生，博士，教授，主要从事地震动模拟及工程抗震等方面的研究工作。E-mail: bazhenning_001@163.com
基金资助:
国家自然科学基金（No.U2139208）；国家重点研发计划（No.2023YFC3007403）

Development of seismic input methods based on OpenSees: a case study of soil-pile-nuclear island structures interaction analysis

BA Zhen-ning^{1, 2, 3}, XU Guang-jing³, KUO Chen-yang³, LIANG Jian-wen^{1, 2, 3}

1. Key Laboratory of Earthquake Engineering Simulation and Seismic Resilience of China Earthquake Administration, Tianjin University, Tianjin 300350, China; 2. Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety of Ministry of Education, Tianjin University, Tianjin 300350, China; 3. School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300354, China

Received:2025-01-14 Accepted:2025-04-29 Online:2025-12-11 Published:2025-12-20
Supported by:
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (U2139208) and the National Key R&D Program of China (2023YFC3007403).

摘要/Abstract

摘要： 准确可靠的地震动输入是工程结构地震反应分析的前提。基于人工边界子结构法，将频率波数域（FK）半解析方法集成到开源有限元平台OpenSees中，结合信息传递接口（message passing interface，简称MPI）并行计算技术，实现了P波、SV波和SH波在任意角度的等效输入。在验证了地震动输入开发正确性的基础上，选取某一非基岩场地中的核岛结构，采用SV波斜入射，分析考虑土−结构相互作用下土体非线性与岩土介质特性对核岛结构地震响应的影响。研究结果表明：（1）土体非线性使安全壳的地震动峰值加速度降低，也使桩基的顶、底部内力响应发生较大改变；（2）岩土介质动力特性的变化导致土−桩−核岛体系刚度的变化，对结构的动力响应影响显著，其中砂（粉）土动力特性介质层对地震动高频成分有较强过滤作用，使与该土层接触的桩基弯矩放大。进一步为基于OpenSees平台解决外源输入问题提供了有效的工具。

关键词: 地震动输入, OpenSees, 人工边界子结构法, 土-结构相互作用, 二次开发

Abstract: Accurate and reliable seismic input is a prerequisite for seismic response analysis of engineering structures. Based on the artificial boundary substructure method, the frequency-wavenumber domain (FK) semi-analytical method was integrated into the open-source finite element platform OpenSees. Combined with message passing interface (MPI) parallel computing technology, this integration enables equivalent input of P-waves, SV-waves, and SH-waves at arbitrary angles. After verifying the correctness of the developed seismic wave input methodology, a nuclear island structure located in a non-bedrock site was selected to analyze the effects of soil nonlinearity and geotechnical medium properties on its seismic response under oblique SV-wave incidence, considering soil-structure interaction (SSI). The research findings indicate: (1) Soil nonlinearity reduces the peak ground acceleration of the containment structure and significantly alters the internal force responses at the top and bottom of the pile foundation; (2) Variations in the dynamic properties of geotechnical media lead to changes in the stiffness of the soil-pile-nuclear island system, profoundly impacting the structural dynamic response. Specifically, sandy or silty soil layers with dynamic characteristics exhibit strong filtering effects on high-frequency seismic components, amplifying the bending moments in pile foundations adjacent to such layers. This study provides an effective tool for addressing external seismic input problems using the OpenSees platform.

Key words: seismic wave input, OpenSees, artificial boundary substructure method, soil-structure interaction, second development

中图分类号: TU435

巴振宁, 徐光景, 阔晨阳, 梁建文, . 基于OpenSees的地震动输入方法开发：以土−桩−核岛结构相互作用分析为例[J]. 岩土力学, 2025, 46(12): 3958-3972.

BA Zhen-ning, XU Guang-jing, KUO Chen-yang, LIANG Jian-wen, . Development of seismic input methods based on OpenSees: a case study of soil-pile-nuclear island structures interaction analysis[J]. Rock and Soil Mechanics, 2025, 46(12): 3958-3972.

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