Probe into several important concepts in Chinese current seismic response spectra

在使用规范反应谱时常将绝对加速度谱、拟加速度谱、伪加速度谱概念等同或者混乱使用,尤其对于大阻尼比且长周期的结构,采用“拟谱关系”能够获得相应谱的谱值却换算不了相应谱的频谱特性。也有认为利用“拟谱关系” 所导出的相对位移谱不符合结构动力学原理及强震反应谱统计特征。基于此,对我国现行抗震规范地震反应谱所涉及到的绝对加速度反应谱、伪加速度反应谱和拟反应谱等作了较为详细的对比,重点阐明了伪谱与拟谱,绝对加速度谱与伪加速度谱在概念上的区别与联系。鉴于我国现行《建筑抗震设计规范》反应谱是由绝对加速度反应谱标定,利用“拟谱关系”仅是一种数值近似手段,并不具有频谱特性的转换功能,分析了绝对加速度反应谱和伪加速度反应谱在抗震设计过程中的差异。基于绝对加速度反应谱进行标定的规范反应谱,总结了其在目前建筑结构抗震设计中所存在的问题,尤其是在针对超高层结构消能减震结构分析中存在不足：长周期且大阻尼比结构所受设计地震作用与其弹性内力相比明显偏大,设计偏保守;用“拟谱关系”所得换算谱的频谱特性混乱且用于设计缺乏可靠性验证。为此,提出了应分类构建反应谱的建议。     

长周期抗震设计反应谱衰减指数与阻尼修正系数研究

对基于地震惯性力的绝对加速度谱和基于滞回恢复力的拟加速度谱进行差异解析,分析了长周期地震动拟加速度谱的衰减指数及其阻尼修正系数谱的变化规律。筛选长周期分量丰富的破坏性浅源强震数字化记录,通过弹性反应谱分析研究拟加速度动力放大系数谱的特征周期、两个下降段的衰减指数以及阻尼修正系数。分析结果表明：基于结构承载力的抗震设计谱应以基于滞回恢复力的拟加速度谱进行标定,以基于惯性力的绝对加速度谱标定对大阻尼比长周期结构的抗震设计偏于保守。拟加速度谱与绝对加速度谱在长周期段的衰减规律不同,大阻尼比长周期段拟加速度谱衰减速度较快。阻尼比0.05的标准抗震设计谱在第一和第二下降段采用形式简单的1/T和1/T²的规律衰减是合理可行的,无需通过修正衰减指数获得基于拟加速度的大阻尼比抗震设计谱。长周期地震反应谱的动力放大系数有显著的场地效应,以Ⅱ类场地为参考,Ⅰ~Ⅳ类场地效应系数分别取0.9、1.0、1.1和1.2较合适。地震动长周期分量对结构阻尼修正系数有很大的影响,基于拟加速度谱与绝对加速度谱的阻尼修正系数在长周期段有显著的差异。结构算例验证了长周期结构建议设计谱的衰减指数与阻尼修正系数取值的合理性。     

长周期结构地震反应的特点与反应谱

讨论长周期结构地震反应的特点,分析我国建筑抗震设计规范中反应谱存在的主要缺陷。对反应谱进行人为的改变,会导致地震动特性的失真。我国规范反应谱的长周期段由于人为的调整,改变了地震动的统计特性,导致加速度反应谱对应的功率谱在长周期段异常,也导致长周期结构在地震作用下的计算位移偏大。抗震规范所规定的最小地震剪力系数仅与地震影响系数的最大值α_max相关,而与场地类别无关,有悖于软土场地上结构地震反应大于硬土场地上地震反应的一般规律。由加速度谱S_a、拟速度谱S _v和位移谱Sd之间的拟谱关系,给出了具有较长周期段(T延长至约10 s)的反应谱建议,可供规范修订时参考。工程算例表明,依据建议的反应谱进行结构的位移验算是可行的。     

长周期桥梁地震设计谱阻尼修正系数研究

阻尼比是影响反应谱值的一个重要参数.当结构阻尼比发生变化时,会显著地改变反应谱值,从而影响结构所受地震作用的大小.规范设计反应谱均以一个标准阻尼比为基准,当结构主要振型的阻尼比偏离此标准值较多时,通过修正系数对设计反应谱进行修正.本文比较了各国桥梁抗震设计规范地震设计谱阻尼修正公式,并选取3条含有长周期分量的地震波对一...     

基于汶川地震记录及遗传算法的加速度设计反应谱

现行加速度反应谱的长周期段太短且其取值出现需要抬高和降低两种大相径庭的研究结论;反应谱的特征周期(T_g)与动力放大系数(b)取值也存在争议。该文从中国国家强震动台网中心（CSMNC）数据库中筛选汶川地震主震记录421条,根据地面运动峰值加速度、场地和地震分组对地震记录进行分类,计算常规地震记录与长周期地震动记录的反应谱,与规范反应谱对比。同时,基于遗传算法和a_max-T_g四阶段拟合模型,利用得到的地震记录进行设计反应谱拟合,并对设计反应谱拟合模型的各种参数进行标定和校验,对规范设计谱的主要特征参数给出修正建议。研究结果表明：常规地震动计算得到的反应谱长周期段的值比规范设计反应谱要低,而长周期地震动反应谱的长周期段的值比规范设计谱要高,揭示了两种不同研究结论的根源;拟合得到的加速度设计谱与实际反应谱吻合程度要好于规范设计谱;说明了补充长周期地震动设计反应谱的必要性,为规范设计反应谱的修订提供参考。      

建筑结构时程分析法输入地震波的研究

本文对形成抗震设计反应谱的国内外重要地震加速度记录进行分析,研究各种不同的记录分组方法对标定设计反应谱所产生的影响,总结各种不同类别场地上所获取的地震记录的反应谱形状的分布规律。在此基础上,为建筑结构抗震设计时程分析法所需的输入地震波提出一种基于规范设计反应谱的、与设防烈度、场地条件、震源机制、结构自振特性有关的选择原则。建议在建筑结构时程分析法中采用一组四条实际地震加速度记录(其反应谱特征周期符合一定的分布规律)作为输入地震波,计算所得的结构内力或位移算术平均,可以得到符合规范要求的比较合理和安全的结果。     

长周期隔震结构基于反应谱理论的地震响应预测研究

在长周期基础隔震结构的地震响应计算或设计的某些阶段(如初步设计阶段或设计完成后的评估阶段),有必要建立一种地震响应实用计算方法,通过简单计算即能体现地震动长周期分量作用,提高隔震结构的地震安全性。通过选用合适的强震记录建立适合一定阻尼比和周期范围的、相应于规范设防烈度的相对位移、相对速度和绝对加速度反应谱,给出实用算式及地震动位移峰值和速度峰值;基于周期等效等准则,建立基础隔震结构的双质点系简化计算模型,推导简化计算模型参数、动力特性及地震响应的简化算式。建立基础隔震结构地震响应预测方法。利用建立的反应谱实用算式及两质点系计算模型的参数和动力特性的简化算式,可快速预测大阻尼比、长周期隔震结构地震响应。     

基于总输入能量谱与瞬时输入能量谱的设计谱修正

地震动中的长周期成分对长周期结构的影响不容忽视,现行的设计反应谱为了保证长周期结构抗震设计具备保守性,人为增大了特定频段和特定场地条件的谱值。针对目前设计谱的不足,依据线性单自由度体系的地震动总输入能量谱和瞬时输入能量谱,对规范反应谱5Tg～6s直线下降段提出调整方法。从具有速度 脉冲特征的长周期地震记录中选出能量谱值最大的地震记录加以说明,得到修正后的加速度谱与相应的拟速度谱和位移谱。建议的反应谱修正方法综合体现了总输入能量与瞬时输入能量的特征,对于工程结构设计具有重要的理论意义和实用价值。     

钢筋混凝土结构非线性阻尼地震反应谱研究

阻尼比对结构的地震反应有重要的影响,目前结构抗震设计阶段通常取阻尼比为常数,不能真实反映建筑物的阻尼机理。基于对钢筋混凝土建筑物非线性阻尼比的分析研究,通过数值分析,提出了建筑抗震设计反应谱的非线性阻尼比修正系数,建立了非线性阻尼比地震反应谱曲线。该曲线不仅考虑了设防烈度和场地条件对建筑物地震反应的影响,也可反映建筑物不同结构类型和结构振动过程中阻尼性能的变化对结构地震反应影响。非线性阻尼比地震反应谱曲线与现行建筑抗震设计规范中标准地震反应谱曲线之间能保持理论体系上的一致性,对工程设计具有一定的参考价值。     

长周期地震动作用下超高层建筑结构响应研究

超高层建筑结构自振周期相对较长,易受长周期地震动影响,是抗震设计时值得关注的问题。从PEER强震记录库中选取了Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类场地共410条工程中常用的强震记录,以一栋高250m、自振周期为6s的超高层建筑结构为例,从输入与输出两个层面对长周期地震动作用下的结构响应进行研究。输入层面,以规范设计反应谱为比较基准,通过分析地震动加速度反应谱,了解不同场地地震动的频谱特征;输出层面,以规范设计反应谱作用下的基底剪力为基准,通过分析超高层建筑结构在各类场地地震动作用下的基底剪力,获得不同场地地震动作用下的结构响应水平;同时,引用日本国土交通省公布的长周期设计地震动进行横向比较,通过弹塑性时程分析得到的不同时刻下结构塑性转角分布情况及发展规律,揭露长周期地震动作用下结构的响应特征与控制因素。     

基于场地特征周期的最小地震剪力系数研究

楼层最小地震剪力系数是建筑抗震设计中的重要控制指标之一。对现行规范规定的最小地震剪力系数限值与场地特征周期无关的不合理性进行了分析,这也是导致Ⅰ、Ⅱ类场地上的长周期结构基底剪力系数难以满足规范限值的主要原因。分析了影响基底剪力系数的因素,发现基底剪力系数受到结构质量和刚度的分布、地震烈度、场地特征周期、结构阻尼比以及设计反应谱形状的影响。提出了基于场地特征周期的最小地震剪力系数限值,在场地条件较好时可放松规范限值,这样使长周期结构的抗震设计更容易满足地震剪力系数的要求,更为经济合理。通过一个算例验证了文中提出的基于场地特征周期的最小地震剪力系数限值的合理性。     

随机地震反应谱的统计分析

本文基于118个地面强震记录水平面内每一方向的峰速度、峰加速度和阻尼比分别为0、2％、5％、10％、20％的绝对加速度反应谱数据,用每个记录的平均峰速度和平均峰加速度分别标定了相应的五种阻尼比的平均设计反应谱,统计了其动力系数的标准差,其结果可供重大工程抗震设计和地震地面运动小区划工作参考使用。在此基础上,利用作者建议的同时考虑房屋层数和场地类别时由地震烈度转换的地面峰加速度和峰速度得到平均设计反应谱,给出了相应的标准差,该结果可供一般工程抗震设计参考使用。     

关于不同阻尼比反应谱的研究

回顾了中、美、欧抗震设计规范关于不同阻尼比反应谱的相关规定及其存在的问题。通过理论分析指出,长周期、大阻尼的结构,阻尼力的影响不可忽略,工程设计反应谱应以弹性力为依据进行标定。根据实际地震记录反应谱的综合阻尼调整系数的分析,给出了规范（GB 50011—2001）的反应谱修正方案。     

我国抗震设计规范设计反应谱及谱阻尼折减系数研究

在标准加速度反应谱基础上,研究并建立符合强震反应谱统计特征的谱阻尼折减系数是建立长周期、大阻尼比反应谱的一种实用方法。首先研究总结强震反应谱的统计特征,据此对我国建筑物、构筑物、核电厂、公路桥梁、工业企业电气设备等结构的抗震设计规范反应谱及谱阻尼折减系数的合理性进行定性研究,对已有改进抗震规范谱方案的合理性进行分析。结果表明：周期10 s内的相对位移反应谱值和相对速度反应谱值随阻尼比增大而减小,而绝对加速度反应谱值随阻尼比增大既可能增大也可能减小;我国各类结构抗震设计规范谱阻尼折减系数计算方案不甚合理;对规范谱及由有关学者提出的改进方案谱进行转换仅能得到适用范围有限的拟相对位移反应谱。     

基于振动台测试及数值模拟的长周期设计谱评估

采用分层装配式多高层建筑结构缩尺模型的振动台试验以及足尺数值结构的地震反应分析,评估抗震设计谱长周期段的合理性和可靠性。以模型结构的实测振动周期和顶点加速度时程响应作为精度验证依据,构建并扩展模拟结构;剔除楼层加速度动力放大系数复合反应中二阶以上振型的分量,建立结构第一阶振型顶点和等效单自由度体系高度处的加速度动力放大系数谱以评估抗震设计谱。结果表明:基于SRSS规则求出的第一阶振型相对于楼层加速度动力放大系数的比例系数在建议设计谱的长周期段随自振周期增大而衰减,而规范设计谱对应的比例系数衰减趋势出现异常;建议设计谱的动力放大系数与第一阶振型的动力放大系数吻合较好,且谱值基本大于第一阶振型的动力放大系数谱值;规范设计谱的动力放大系数在速度敏感周期前段出现小于第一阶振型动力放大系数的情况,这表明有必要适当增大场地特征周期。建议设计谱估算的楼层加速度谱大于由规范设计谱以及基于试验与数值分析确定的楼层加速度谱,表明建议设计谱安全、可靠,且能体现长周期结构的高阶振型反应。     

基于双向最大加速度反应谱的双向水平地面运动记录选择和标定方法

在用动力时程分析法预测高层建筑和复杂建筑的地震反应时,需要输入包含两个水平分量的双向地面运动记录。通过整理现有双向地面运动记录选择和标定方法可知,我国规范GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》在这方面存在不足之处。在双向最大加速度反应谱的基础上,提出双向水平地面运动记录选择和标定方法。为揭示该方法与我国规范方法所预测的结构地震反应的差异,并考察根据我国规范方法预测出的结构地震反应评价抗震性能的安全性,在一个工程算例的罕遇地震非线性动力反应分析中,分别用这两种方法选择双向地面运动记录。分析结果表明:基于双向最大加速度反应谱的双向地面运动记录选择和标定方法较我国规范方法预测的结构地震反应更大,对于力和位移的预测结果,前者比后者分别增大约7%和15%。针对地震风险起控制作用的地面运动类型不同,我国规范方法预测出的结构地震反应相对于基于双向地面运动记录选择和标定方法预测出的结构地震反应的危险程度高低亦不同,以统一的性能指标来控制结构的抗震性能,最终实现的各结构抗震安全性有所不同。因此,建议在动力时程分析中采用基于双向最大加速度反应谱的双向地面运动记录选择和标定方法。     

不同阻尼比长周期抗震设计反应谱研究

一、前言地震反应谱理论是现阶段建筑抗震设计的基本理论。我国新修订的《建筑抗震设计规范 GBJ11-89》(以下简称89规范)提出了反映地震和场地特征的地震影响系数α曲线,它是设计反应谱的具体表达,其周期范围是0～3s,阻尼比=5%,适用于一般的砖石结构和钢筋混凝土结构。对于具有较长自振周期或结构阻尼比不同于5%的其     

地震震源机制对长周期地震动的影响研究

长周期地震动特性的研究对自振周期较长的大型结构的抗震设计具有重要意义。利用1997年新疆伽师强震群的宽频带数字地震记录,研究了震级大小和震源机制对长周期地震动特性的影响。结果表明:地震震级对长周期地震动的影响较为明显,震级越大,长周期地震动的成分越多;与走滑型地震相比,倾滑型地震的垂直向长周期成分更为丰富;走滑型地震的水平向长周期加速度反应谱值高于正断层型地震的水平向长周期加速度反应谱值。     

超高层建筑场地地震反应分析及长周期设计反应谱研究

建筑抗震设计规范中的标准设计反应谱不能满足基本自振周期大于6 s的超高层建筑抗震设计需要。今结合某超高层建筑,讨论了场地地震反应特性及其长周期设计反应谱,并根据拟建场地长周期设计反应谱选择了天然地震动记录,为工程抗震验算提供数据,可为同类型超限高层结构设计提供经验参考。     

地震反应谱长周期分量对大跨度桥梁地震反应的影响

大跨度桥梁是长周期结构,对结构地震反应贡献较大的一阶振型周期很长,因而其地震反应对输入反应谱的长周期分量较为敏感。本文首先对中美桥梁抗震设计规范反应谱的长周期部分进行比较分析,然后基于实际地震记录的反应谱,对我国规范反应谱的长周期部分提出修正建议。接着,以一座主跨为428 m的三塔自锚式悬索桥为例,采用SAP2000程序建立全桥动力分析模型进行反应谱分析,分析反应谱长周期分量对桥梁结构不同地震反应分量的影响,并验证本文修正建议的合理性。结果表明:当漂浮体系大跨度索支撑桥梁的基本周期远超过6 s时,如果对规范设计加速度反应谱超出周期范围部分取平台段,会造成纵向地震作用下塔底弯矩和主梁位移几倍的增加,建议按周期倒数的一次方关系衰减。