单自由度体系地震残余变形分析及计算

地震残余变形是结构可修复能力的重要指标,准确分析结构的残余变形对于震后结构性能的评估与控制具有重要意义。基于对不同单自由度(SDOF)体系的弹塑性地震响应的统计分析,研究了不同参数对地震残余变形的影响,其中滞回特性、屈服后刚度、地面峰值加速度(PGA)以及最大弹塑性变形对残余变形的影响较大;同时结合理论分析提出了分别适用于弹塑性Kinematic滞回模型和Takeda滞回模型的残余变形简化计算方法。该方法是以先获得结构的最大弹塑性变形为基础的,能与传统的确定结构最大变形性能的抗震分析方法(Pushover方法)较好地结合。最后,以一钢筋混凝土单柱桥墩为例,详细阐述了所提出的方法进行单自由度体系结构的地震残余变形计算及震后结构性能评估的过程,分析表明基于Takeda模型的结构残余变形的计算结果偏于安全。     

不同地震动特性下RC框架校舍抗震加固残余变形分析

校舍的抗震性能和震后残余变形直接关系到学生的顺利疏散和学校的震后修复,因此,本文以RC框架校舍为背景对其不同地震动特性下的抗震性能和震后残余变形展开研究。首先,介绍了泰州市姜堰区实验小学敏学楼的工程概况和加固方案,并据此建立了结构三维有限元模型,开展了动力特性分析;随后,进行多遇地震作用下的弹性和设防/罕遇地震作用下的弹塑性时程分析,并以层间位移角为性能指标对结构抗震性能水平进行了评估;最后,以层间残余位移角和顶点残余位移为指标对比分析了近、远场地震作用下的结构残余变形。研究结果表明,近场地震作用下的抗震性能水平和残余变形指标均差于远场地震作用下的结果,其中底层层间残余位移角为远场地震的1. 67倍;加固后结构在罕遇地震作用下的破坏模式由严重破坏降低到了不严重破坏,层间最大残余位移角最大降低了69. 9%,校舍逃生概率和震后恢复能力显著提升。     

考虑地震残余变形的高层建筑抗震性能分析

结构震后残余变形的大小直接影响到人群能否顺利疏散和逃生,以及震后修复加固的可行性和必要性,而土体的参与也会影响到整体的残余变形。对某高层建筑分别建立了考虑和忽略土-结构相互作用(SSI)的有限元模型,通过不同地震动水平下的非线性时程分析获得结构的最大变形和残余变形。结果表明,考虑SSI后,最大层间位移角增大,结构最大变形和残余变形增加,且增加的幅度随地震强度增大而逐渐变大,因此忽略SSI会使结构分析和设计结果偏于危险,高设防烈度地区更应考虑SSI的影响。     

弹塑性MDOF系统地震输入能量研究

基于地震作用下弹塑性SDOF(Single Degree of Freedom)和弹性MDOF(Multi-degree of Freedom)系统能量输入研究,本文分析了弹塑性MDOF系统能量输入规律。以实测地震记录为输入,采用弹塑性时程分析方法,计算了一阶初始周期≤3s的5、10、20、30层双线性滞回剪切层模型,不同阻尼比、承载力降低系数情况下4800个结构和一阶初始周期>3s的40层结构能量输入,与弹塑性SDOF系统的输入能量谱进行对比。研究表明:一阶周期在3s以内的弹塑性MDOF系统输入能量EI可用相同阻尼比、初始周期、承载力降低系数的弹塑性SDOF系统计算结果近似确定;一阶周期大于3s的弹塑性MDOF系统,可采用MPA方法等效为多个弹塑性SDOF系统,按照振型叠加法计算总输入能。     

梁式桥抗震设计的地震能量反应谱分析

合理选取4类场地320条强震记录,研究地震动特性和恢复力模型动力参数对弹塑性SDOF体系的地震能量响应及其分配规律的影响,得到如下结论:1对于弹塑性SDOF体系,只要给出某一标准设防烈度的地震能量反应谱,其他设防烈度的能量反应谱可以根据PGA设防烈度与PGA标准烈度比值的平方调整得到;2可忽略屈服后刚度比对结构地震能量响应及其分配规律的影响;3阻尼比对地震总输入能的影响不大,但却对阻尼和滞回耗能有较大影响;4弹性和弹塑性SDOF体系的地震总输入能存在一定差别的,不能忽略结构延性对地震总输入能的影响;5低延性结构的延性能力的增加将会大幅提高其滞回耗能能力。在此基础上,采用非线性能量反应时程分析方法,建立适用于我国梁式桥抗震设计的地震总输入能谱、能量折减系数谱、滞回耗能谱和滞回耗能比谱,并为梁式桥基于能量的抗震设计提供以下建议:在采用能量方法对梁式桥进行抗震设计,因尽量使结构周期超过临界周期,以避免结构弹塑性地震输入总能量被放大;同时,还应控制梁式桥的延性不宜过大或过小。     

考虑橡胶支座随机性下隔震与非隔震近海桥梁地震易损性对比

针对目前在隔震桥梁地震易损性分析中隔震支座性能参数随机性研究薄弱、从失效概率的角度开展隔震与非隔震桥梁对比研究缺乏的现状,详细统计分析了橡胶隔震支座力学性能参数的不确定性,建立了近海隔震与非隔震桥梁非线性动力分析模型。在考虑支座参数、地震动及桥梁结构不确定性的基础上,利用拉丁超立方抽样分别生成90个结构-地震动样本对。利用Sap2000有限元软件对每个样本对进行非线性动力时程分析,通过对大量数据的回归分析,得到桥墩、支座的易损性曲线,进而对隔震前后结构的地震易损性进行了对比分析。结果表明：在同一破坏等级相同地震作用下,非隔震桥墩的失效概率大于隔震桥墩,非隔震支座破坏的概率大于隔震橡胶支座|采用隔震技术后,桥墩发生严重破坏和倒塌的概率极低,震后可修复的概率很大|而非隔震桥墩发生严重破坏的概率最大,说明其震后可修复的概率很小而产生不可修复损伤的可能性极大。     

增量动力分析中的地震作用特征差异研究

从两个方面研究了地震动的非平稳特性对结构IDA曲线差异的影响;通过反应谱正则化,计算了不同地震作用下结构等效弹塑性单质点体系的IDA曲线;通过插值方法,在地震总作用力相等的条件下,对比了不同地震输入的IDA结果中结构最大层间侧移角和楼层剪力的分布特征.结果表明,不同地震动的IDA曲线的差异是由地震动的弹塑性谱特征和水平惯性力的侧向分布特征共同决定的.     

考虑退化效应的非弹性体系震后概率残余位移分析

震后残余位移是评价工程结构震后可修复性和可用性的重要指标,而刚度和强度退化对震后残余位移的影响显著。本文采用综合考虑刚度和强度退化效应的非弹性地震动力响应分析的Bouc-Wen模型,结合从NGA强震数据库中所筛选的69条强震记录,定量地分析了刚度和强度退化效应对非弹性体系震后概率残余位移的影响,进而以自振周期、屈服后刚度比以及刚度和强度退化参数作为控制参数,建立了考虑退化效应的非弹性体系震后残余位移的预测模型。分析表明,刚度退化导致非弹性体系的位移时程曲线向平衡点位置方向偏移,从而引起残余位移减小;强度退化使非弹性体系的位移时程曲线向远离平衡点位置方向偏移,从而导致残余位移增大;增大结构的屈服后刚度比可以有效减小非弹性体系的残余位移。     

双跨摇摆自复位结构的抗震性能研究

利用OpenSees有限元软件建立了具有相同框架部分的双跨摇摆自复位结构模型和普通框架结构模型,并对其进行静力弹塑性分析和弹塑性时程分析。通过对比两种结构的承载能力、变形和结构耗能,得出双跨摇摆自复位结构具有震后残余变形小、抗震性能良好和结构可恢复等优点。分析结果表明:双跨摇摆自复位结构能够保证其在地震作用后仅替换耗能器后继续使用,为震后结构的修复节省了成本,具有很好的工程应用前景。     

粘滞阻尼减震SDOF体系的地震响应与地震动强度指标相关性研究

为了准确预测和分析粘滞阻尼减震结构的地震响应特性,需选用合适的地震动强度指标控制地震动的输入。本文建立了粘滞阻尼减震双线型SDOF体系的计算模型,选取了22条远场地震波,通过非线性时程分析计算了结构的地震响应,详细分析了粘滞阻尼减震SDOF体系的地震响应与18种地震动强度指标的相关性,提出了计算结构的综合地震响应与地震动强度指标相关性的理论公式。研究表明,在0.1sT0.6s周期段,结构的综合地震响应与地震动的峰值加速度PGA相关性较高,建议选用地震动的峰值加速度PGA作为粘滞阻尼减震结构抗震分析用地震动强度指标;在T=0.6~2s周期段,结构的综合地震响应与地震动的峰值速度PGV相关性较高,建议选用地震动的峰值速度PGV作为粘滞阻尼减震结构抗震分析用地震动强度指标;在2sT6s周期段,结构的综合地震响应与地震动的第一周期谱速度Sa相关性较高,建议选用地震动的第一周期谱速度Sa作为粘滞阻尼减震结构抗震分析用地震动强度指标。     

结构静力非线性分析与弹塑性时程分析结果的统计关系及残余变形计算

选取100条地震波并标准化为地面峰值加速度为0.1g～0.5g的地震波,采用Takeda和Kinematic恢复力模型对单自由度体系进行弹塑性时程分析;同时使用100条地震波获得的不同阻尼比的弹性加速度反应谱,基于Takeda、Kinematic模型,采用欧洲规范的方法,对单自由度体系进行静力非线性分析;建立静力非线性分析结果与弹塑性时程分析结果的统计关系以及单自由度体系残余变形与最大塑性位移的统计关系。分析表明：弹塑性时程分析结果的平均值与静力非线性分析结果的关系在一定程度上受地面峰值加速度和结构自振周期影响,基本不受结构刚度退化比影响;基于Takeda和Kinematic模型的静力非线性分析结果略低于弹塑性时程分析结果的平均值,而基于欧洲规范方法的静力非线性分析结果则高于弹塑性时程分析结果的平均值;残余变形与最大塑性位移的关系明显受地面峰值加速度和结构刚度退化比的影响。     

隔震结构动力弹塑性分析地震记录选择的波谱分类法研究

高层隔震结构动力弹塑性时程分析地震记录选择是隔震结构地震响应分析的关键,针对地震记录选取提出基于模糊聚类算法结合地震动强度指标进行地震波子集选取的波谱分类法。首先采用动力弹塑性时程方法对隔震结构的等效单自由度简化模型和三维空间模型进行了地震加速度峰值、地震波速度峰值、地震波位移峰值、地震波速度峰值与加速度峰值之比、加速度反应谱、等效速度反应谱6类地震动强度指标与工程需求参数相关性的比较研究,确定了适合隔震结构的有效地震动强度指标。隔震整体结构工程需求参数包含上部结构层间变形、顶层加速度和隔震层位移响应。其后采用构造的地震动指标矩阵应用于地震波样本属性的表征,并基于模糊聚类算法对地震波样本进行了分类。以某15层高层钢框架-混凝土核心筒隔震结构为例,通过将未分类的地震波集合与分类地震波子集作用下结构的地震响应离散性对比研究,确认了波谱分类法在地震动筛选应用中的有效性。     

Seismic response of flag-shaped hysteretic SDOF systems with seismic fuses

Flag-shaped (FS) hysteretic systems with seismic fuses have recently been developed for use in high performance seismicresistant structural systems. Their cyclic response is characterized by the re-centering capabilities with enough seismic energy dissipation while seismic fuses only activate in order to protect a FS system and to magnify the dissipation of seismic input energy at very strong ground shaking. To date, analytical studies have been focused on the seismic response of FS singledegree-of-freedom (SDOF) systems without seismic fuses. Hence more extensive analytical investigation of the seismic response of FS systems with seismic fuses is needed because of their unique cyclic response defined by the FS hysteresis, and by the expanded energy dissipation of the seismic fuses. To do this, this research carries out comparative nonlinear time-history analysis of FS and elasto-plastic (EP) SDOF systems. The analysis results of the FS SDOF systems show that 1) ductility demands decrease with increased structural periods, strength ratios, and post-yielding stiffness ratios; 2) the equations of the equivalent damping ratios are mainly dependent on parameters relating to energy dissipation; and 3) the median maximum displacement demands of seismic fuses decrease with increased post-yielding stiffness ratios, strength ratios, and re-centering limits.     

梁式桥抗震设计的近场地震弹塑性反应谱

依据国内外规范对近场地震动的定义,收集了215条近场地震动,进而对近场地震弹塑性反应谱（加速度谱、位移谱、残余位移谱、强度折减系数谱）进行参数影响研究,得到地震动特性（地震震级、场地土质、PGA）和恢复力模型动力参数（不同恢复力模型、屈服后刚度比、阻尼比、位移延性系数）等因素对近场地震弹塑性反应谱的影响规律。与中远场地震弹塑性反应谱相比较可知：①Ⅰ~Ⅲ类场地近场地震弹塑性加速度谱的下降段较缓,Ⅳ类场地弹塑性加速度谱的敏感区更宽|②Ⅰ~Ⅲ类场地近场地震弹塑性位移谱的谱值相比Ⅳ类场地的谱值更大。在此基础上,建立了与我国桥梁抗震设计规范场地类型相对应的近场地震弹塑性反应谱,可用于近场地震下的桥梁抗震设计,并可为后续的近场地震能力谱法的研究提供近场地震需求谱。     

弹性SDOF系统的地震输入能量谱

本文以4种场地土条件下40条强震记录为输入,对弹性单自由度(SDOF)系统的地震输入能量谱进行了研究。首先研究了SDOF系统参数和地面运动参数对弹性地震输入能量谱的影响。结果表明,在中长周期范围,弹性SDOF系统的阻尼比和地面运动强度对能量谱峰值有较大影响;在长周期范围,随弹性SDOF系统阻尼比的增大,能量谱值也有所增大。随后,采用归一化能量谱方法,并根据能量谱曲线的特征,建议了简化三段式地震输入能量谱。在此基础上,根据4种场地土条件下40条强震记录能量谱计算结果的统计分析,建议了能量谱峰值和能量谱曲线参数的确定方法。     

地震波参数对基础隔震体系的减震效果影响#br# 研究与试验验证

为研究地震波参数对基础隔震体系的动力响应和减震效果影响,选取集集地震中16条地震波作为输入,采用单自由度体系对基础隔震体系进行数值分析,主要分析地震波参数中卓越周期、平均周期、地震动峰值速度与峰值加速度之比和断层距及地震波幅值对其动力响应和减震效果的影响,并进行振动台试验验证。结果表明：地震波参数中卓越周期、平均周期、断层距和地震动峰值速度与峰值加速度之比及地震波幅值对其动力响应和减震效果的影响明显,均具有较强的相关性。同幅值下地震动峰值速度与峰值加速度之比对其减震效果的影响最显著,可以作为评价基础隔震体系的减震效果的主要指标。远场地震波和普通近场地震波下随地震波幅值的增大减震率增大,达到一定的数值后减震率基本稳定,减震效果较好;脉冲型近场地震波作用下其减震效果最差;试验分析结果与数值分析结果基本一致,表明分析结果的合理性和可靠性。     

远场长周期地震动有效峰值对高层RC框架结构 弹塑性响应的影响

为研究远场长周期地震动对高层结构地震响应的影响机理,分别选取10条长周期地震动与10条普通地震动,并根据中国现行抗震设计规范设计某高层RC框架结构,采用ABAQUS软件建立有限元模型进行计算分析。首先,对比分析长周期地震动与普通地震动作用下的结构响应特征; 然后,基于经验模态分解(EMD),将长周期地震动分解为包含不同频域信息的本征模态函数(IMF)分量,并依次去掉各IMF分量后将剩余分量叠加重构成新的地震动,通过对比每条新地震动与原始地震动作用下的结构响应,分析各IMF分量对结构弹塑性地震响应的影响程度。结果表明:长周期地震动作用下高层结构的各地震响应均大于普通地震动; 与结构自振周期接近且峰值较大的IMF分量对地震响应影响较大,第1个高频IMF分量具有降低结构响应的有利干扰作用; 长周期地震动的有效峰值和有效峰值率显著大于普通地震动,从而初步揭示了长周期地震动作用下高层结构的地震响应大于普通地震动的内在机理。     

屈服后刚度对建筑结构地震响应影响的研究

为准确预测强震下结构弹塑性响应,实现基于性能的抗震设计方法,有必要研究结构屈服后刚度对结构弹塑性地震响应离散程度的影响。根据单自由度体系和多自由度体系的大量的弹塑性时程动力分析,研究了屈服后刚度对结构弹塑性地震响应的影响规律。分析研究结果表明:对于单自由度体系,在中长周期范围,最大弹塑性位移响应及其离散性随屈服后刚度的增大变化不大;在短周期范围,最大弹塑性位移响应及其离散性随屈服后刚度的增大显著减小。对于多自由度体系,随屈服后刚度增大,延性需求和累积滞回耗能分布趋于均匀,最大弹塑性层间位移响应的离散性显著减小。最后讨论了提高结构屈服后刚度的措施,并通过典型算例说明了在结构系统层次上实现强化型结构的方法。     

基于改进CM模型的土石坝三维弹塑性地震反应分析

基于交变移动性（CM）模型,引入饱和度作为状态变量,给出了改进的土体塑性势面方程、屈服方程和协调方程,推导了新的硬化参量计算公式,发展了可连续描述非饱和与饱和土体静动力学特性的弹塑性本构模型。通过转换应力法,将模型从试验应力状态拓展到一般应力状态,使得本构模型可用于复杂三维河谷场地上修建的土石坝的弹塑性地震反应分析。数值模拟了汶川地震中典型震损土石坝的震害过程,模拟结果与实际震害吻合较好。对比研究了输入地震动强度对土石坝弹塑性地震反应分析结果的影响,结果表明土体的弹塑性特性对坝-基动力相互作用有着较大影响。