近断层长周期脉冲型地震动对竖向反应谱的影响研究

长周期大幅值脉冲运动是近断层地震动的重要特征,也是引起结构震害的重要因素.在既有的地震动数据库基础上,筛选建立了长周期脉冲型记录的统计样本库,并构建了地震动特征参数的回归关系式.针对竖向反应谱,深入分析了竖向分量与水平向分量的加速度反应谱比值随脉冲周期和结构自振周期的变化规律,结果表明反应谱比值显著大于现行规范取值,进而采用分段线性化方法,建立了竖向反应谱比值随脉冲周期、自振周期变化的简化关系式,并对影响竖向反应谱曲线各拐点周期的特征比值进行统计分析,拟合得到了其随震级和断层距的衰减模型.     

典型地震动作用下长周期单自由度体系地震反应分析

通过单自由度体系典型地震反应分析探讨长周期结构的类共振及瞬态效应问题。远场类谐和地震动与近断层脉冲型地震动是导致长周期结构发生类共振的两类长周期地震动,而目前对此两类地震动特性以及地震反应的对比分析尚不多见。首先,通过卓越频率与能量时间分布系数对比分析,研究了长周期地震动能量时频分布特性,结果表明：两类长周期地震动的能量均集中在较低频段,且远场类谐和地震动的能量集中频段略低于近断层脉冲型地震动;近断层脉冲型地震动与普通地震动的能量在时域内分布较远场类谐和地震动集中。然后,进行了弹性反应谱对比分析,结果表明：在长周期段,远场类谐和地震动与近断层脉冲型地震动的加速度反应、速度反应、位移反应和输入能量均大于普通地震动,且速度反应、位移反应与输入能量的放大程度明显高于加速度反应;远场类谐和地震动的各反应明显大于近断层脉冲型地震动,且衰减更为缓慢。最后,提出瞬态效应的概念,并进行了实际地震动作用下的瞬态效应分析,结果表明：瞬态效应是地震动高频成分的固有属性,但不足以引起长周期结构的瞬态位移破坏。建议在对长周期结构进行抗震设计时,需要重点考虑两类长周期地震动引起的类共振问题,而不需要考虑瞬态效应。     

长周期结构相对位移反应谱研究

在对长周期结构进行抗震设计时,或采用基于位移的性能设计方法进行结构设计时,或采用各种结构控制技术对结构进行减隔震设计时,需要用到相对位移反应谱,而目前各国规范给出的一般都是某种标准化的绝对加速度反应谱。本文指出了国内外目前在用的部分规范提出的长周期反应谱存在的问题,采用80条高通低截止频率（0.025~0.125 Hz）、加速度峰值≥0.10 g的水平向强震记录,计算了周期0~10 s、阻尼比0.10~0.40的相对位移反应谱,研究了位移谱的影响因素及控制参数,建立了考虑震源参数、地震动幅值特性、场地条件、谱控制参数、阻尼比调整系数的可供长周期结构设计使用的弹性相对位移谱,给出了实用化计算公式及地震动位移峰值。结果表明,相对位移谱卓越周期是控制位移谱谱值及形状的重要参数;本文研究得到的相对位移谱能较好地拟合实际相对位移谱。     

基于长周期地震动记录的SDOF体系能量谱探讨

为分析长周期地震动作用下结构的能量反应谱及其影响因素,本文从1985年墨西哥8.1级地震、1999年台湾集集7.6级地震和2003年日本十胜冲8.0级地震记录库中,选取了36条具有可靠长周期信息的强震记录,以此作为输入,采用能量谱面积归一的方法,首先对单自由度体系的弹性能量谱进行了分析,建议了适用于长周期地震动的简化三段式输入能量谱。在此基础上,讨论了延性系数、阻尼比对弹塑性能量谱的影响;给出了通过调整长周期地震动弹性能量谱参数来确定长周期地震动弹塑性能量谱的方法,并与长周期地震动弹塑性能量谱的拟合结果进行了比较,验证了上述方法的可行性。最后,通过分析长周期地震动累积滞回耗能与弹塑性输入能量之间的比值关系,给出了长周期地震动累积滞回耗能比值谱的计算公式。     

脉冲地震动缩放水平对结构非线性位移反应影响的分析

研究缩放速度脉冲型地震动强度水平引起的单自由度(SDOF)体系非线性位移反应的偏差。采用30条速度脉冲地震记录,通过SDOF的体系动力时程分析,分析了速度脉冲型地震动分别缩放到不同目标谱加速度(Sa)、峰值加速度(PGA)、峰值速度(PGV)、峰值位移(PGD)水平时,SDOF体系非线性位移反应偏差随系统自振周期和强度折减系数变化的规律;通过对散点数据的对数线性回归确定了位移反应偏差的变化趋势,并比较了不同地面运动强度表征参数下位移偏差的稳定性。分析结果表明：位移偏差对地震动缩放系数、系统的基阶自振周期和系统的强度有一定的依赖性,合理选用缩放系数和地面运动强度表征参数能有效减小估算结构地震位移响应的偏差。     

新型高速铁路客站多维抗震分析的实用反应谱法

针对“房桥合一”高速铁路客站不同阻尼比构件、大跨构件较多,对其阻尼模型和多维实用反应谱法进行了研究。首先通过位能加权阻尼和振型分解法的原理,得出位能加权阻尼的激励为各振型响应,并基于单元刚度矩阵推导了位能计算公式。接着在结构自振周期不超过4.5倍场地特征周期的条件下,对水平与竖向加速度互功率谱的表达形式进行了替代。基于两者,利用随机振动理论与反应谱理论推导了能合理考虑各向振型间相关性的实用反应谱公式。最后,以天津西站II区为例加以应用,并与时程分析、多种常用多维反应谱组合法进行了比较,说明该公式的合理性,可供同类结构抗震设计与分析作参考。     

基于中国规范的近断层区竖向抗震设计谱研究

针对近断层区结构抗震设计缺乏专门竖向抗震设计谱的现状,以近断层竖向地震动为研究对象,基于《建筑抗震设计规范》,开展近断层区竖向抗震设计谱的研究。选取198条近断层脉冲型地震动的竖向分量,分析得到实际近断层地震动竖向反应谱,将计算得到的反应谱与中国抗震规范中的近断层竖向设计谱进行了对比。研究结果表明,中国抗震规范未充分考虑近断层竖向地震动的特点,表现为部分周期段上规范设计谱的谱值小于实际近断层竖向地震动反应谱,难以保证近断层区结构具有足够的抗震安全性。根据近断层竖向地震动的分析结果,基于中国抗震规范设计谱的基本形式,提出了谱值放大系数取1.5、特征周期下限取0.40 s(多遇地震)和0.45 s(罕遇地震)及减小曲线下降段衰减系数的修正方法。该竖向抗震设计谱工程应用简便,可为近断层区的结构竖向抗震设计提供参考。     

汶川地震竖向地震动特征初步分析

选择国家强震动台网中心发布的2008年5月12日汶川地震四川、甘肃、陕西等地台站中的94组加速度记录进行了处理,提取了一些主要地震动参数,应用统计分析方法重点对地震动竖向与水平峰值加速度比、竖向与水平加速度反应谱及竖向与水平卓越周期比等进行了研究。结果表明:竖向与水平峰值加速度比的平均值为0.58,但约30%台站的峰值加速度比大于2/3;竖向与水平峰值加速度比随震中距的增大减小,近震区该比值离散性较大,场地条件对该比值也有较大的影响;在周期0~6s内竖向与水平加速度反应谱比曲线总体呈马鞍形;不同的周期段,竖向加速度反应谱和水平加速度反应谱的谱形有较大差异,相比水平加速度反应谱,竖向加速度反应谱偏“瘦”;除少数台站外,绝大部分台站竖向与水平卓越周期比均小于1.0,该比值随震中距的增大而增大,并逐渐趋于平缓。上述研究结果可以为时程分析选取竖向地震动输入提供参考。     

桥梁墩柱在近断层水平多脉冲地震动作用下响应特征分析

对桥梁墩柱在近断层水平多脉冲地震动激励下的响应特征进行了研究。采用多脉冲小波分析方法从选取的22组地震动中识别出17组为脉冲型近断层地震动并确定了相关参数。采用时域叠加小波方法将这些时程与目标反应谱匹配得到匹配时程,通过匹配前后的时程和反应谱对比验证了匹配的有效性。基于Open Sees建立了四根桥梁墩柱模型并通过模态分析与Pushover分析验证了模型的合理性与准确性,加载匹配后的地震激励并分析其响应特征。分析表明,匹配时程的反应谱与目标反应谱基本一致,模型与试验的位移延性能力相对误差不超过5%。水平面内脉冲能量最强方向的地震输入能量大于水平面其他方向的输入能量,结构对应的地震需求也最大。从位移延性需求的角度应考虑水平最强能量的输入方向,抽取一个主要脉冲波形来替代原地震输入的做法偏于危险,应考虑多脉冲形式来代替单脉冲形式。     

基于EMD的单自由度体系地震瞬态与稳态反应计算与分析

结构的地震响应通常无法区分瞬态反应和稳态反应。通过经验模态分解将地震动分解成若干个固有模态函数,基于固有模态函数的半波简谐特性和谐波理论,提出半波拟简谐分析法,实现地震作用下结构瞬态与稳态反应的剥离。对不同类型地震作用下的长周期和短周期结构的瞬态反应、稳态反应以及对应的反应谱进行分析,研究结果表明:在地震作用等宽频带信号作用下,瞬态与稳态反应表现出异于单一分量信号的特征。不论长短周期结构、不论何种地震类型,其瞬态反应和稳态反应都在位移总响应中发挥重要作用,且二者互相制约,忽略两者中的一种反应成分,均将高估了总反应,使得在结构设计时偏保守,不经济。     

圆高强钢管UHPC梁抗弯性能研究

以含钢率和套箍系数为参数,开展5根圆高强钢管超高性能混凝土(UHPC)梁和2根圆普通钢管UHPC对比梁的纯弯试验;而后,采用已验证的有限元模型,对套箍系数进行了参数分析。试验研究表明,高强钢管UHPC梁发生延性破坏,组合截面满足平截面假定,受压区高强钢管对核心UHPC的套箍作用应被考虑。较普通强度的钢管,高强钢管能更及时地约束UHPC的横向膨胀。随着套箍系数的增加,钢管混凝土梁达抗弯承载力时,中性轴趋近截面中线,受拉区钢管应力减小,受压区钢管和混凝土的应力则增大。承载力计算分析发现,对于高强钢管UHPC梁而言,现有中国规范GB50936?2014的实用计算方法存在不准确且离散性较大等问题,为此该文提出了新实用计算方法。     

考虑近断层脉冲型地震动影响的埋地管道地震易损性分析

近断层脉冲型地震动具有短时高能量的脉冲特性,会对埋地管道等长周期结构造成较为严重的破坏。为研究近断层脉冲型地震动影响的埋地管道抗震性能,该文基于简化速度脉冲模型,结合脉冲周期、脉冲峰值的经验统计公式,模拟了不同地震动的方向性脉冲分量和滑冲脉冲分量,通过与ATC-63报告推荐的远场地震动中的高频成份进行叠加,合成了具有多种频率成分的近断层脉冲型地震动;在此基础上,进一步考虑空间变异性,生成了的空间相关多点非平稳地震动。利用ANSYS软件进行有限元建模,输入人工合成的地震动进行增量动力时程分析,建立了PGV与埋地管道最大应变之间关系的概率地震需求模型,结合管道极限破坏状态的划分,进而建立了考虑不确定性的不同管材、管径、壁厚及填覆土的埋地管道地震易损性模型。该模型为跨断层埋地管道地震风险评估中的地震易损性分析提供了理论基础。     

近断层速度大脉冲对反应谱的放大作用

收集我国近年发生的汶川地震、鲁甸地震和美国NGA（Next Generation Attenuation）数据库选取的175次地震事件3661组强震动记录,考虑脉冲方向的不确定性,基于小波方法定量识别出165条典型速度脉冲记录,利用小波提取出速度脉冲记录中的长周期脉冲信号,通过对比分析原始脉冲记录和提取出长周期脉冲后的残余记录的反应谱特征,研究发现速度大脉冲在其特征周期T_p附近对反应谱有很强的放大作用,这种作用表现为一种窄带效应。基于偏差参数定量揭示了大脉冲在不同周期段对反应谱的放大作用,放大曲线变现为以脉冲特征周期T_p为中心的单峰曲线,在周期T_p处放大倍数最大可达3.5倍,往两侧逐渐变弱,主要影响周期范围为0.5T_p~2T_p。利用最小二乘回归方法分别给出了脉冲放大系数A_f和脉冲周期T_p的经验模型,探讨了地震震级、场地剪切波速对放大系数曲线的影响。研究表明:随震级增大,脉冲放大作用影响的周期范围变宽,放大系数曲线的峰值周期向长周期方向移动;随场地剪切波速增大,脉冲放大作用的影响范围和峰值均向短周期移动,相比震级而言,场地剪切波速对放大系数曲线的影响较小。该文脉冲放大作用的经验结果可用于给定地震环境下（如震级、场地剪切波速）近断层场地速度大脉冲作用下对反应谱的修正。     

近断层地震作用下弹性位移反应谱的研究

为研究近断层地震作用下基于位移的抗震设计方法,选择了30次地震,132组近断层地震记录作为统计样本,根据得到的平均弹性位移反应谱,给出了近断层地震设计弹性位移反应谱表达式,该表达式可以反映震源机制和场地土等因素的影响作用。研究结果表明：提出的近断层地震弹性位移设计反应谱与实际地震波平均弹性位移反应谱较为接近,可以应用于近断层地震作用下结构的抗震设计中。     

近断层地震动斜输入下水电站厂房非线性地震响应研究

与远场地震动相比,近断层地震动往往有较大的速度和位移脉冲效应,且由于其发震断层埋深较浅,地震波垂直地表向上入射假定一般不再适用。目前关于水电站厂房抗震研究均未考虑近断层脉冲型地震动斜输入的影响。选取符合某水电站场地条件的近断层脉冲型和非脉冲地震动记录各5条,依据波动理论,采用黏弹性动力人工边界法,推导了SV波三维斜入射下的人工边界等效结点力计算公式,并进行了算例验证。建立了水电站厂房三维塑性损伤有限元分析模型,分析了水电站厂房在脉冲型和非脉冲地震动垂直和斜输入条件下的非线性地震响应。结果表明,近断层脉冲型地震动斜输入可以激起厂房结构的高阶振型,引起水电站厂房下部结构较大的损伤、位移、及应力响应,对厂房的破坏作用最强。     

近断层地震动脉冲特性研究综述

近20年来近断层地震动的脉冲效应获得了广泛关注，其与震源过程和结构地震破坏关系密切。该文首先对近断层地震动中速度脉冲的成因进行简要概括，而后对近断层强震记录处理、脉冲识别与特性参数获取方法进行了系统回顾，最后对现有研究中获得的脉冲个数、脉冲周期和脉冲幅值与地震参数间的统计关系进行比较。认为强震记录处理的传统分段校正方法无法在频域最大可能复原有效地震动信息，还存在脉冲识别与提取方法主要基于向前方向性效应引发、相关脉冲参数统计分析中对地质构造和断层类型考虑不足等问题。建议后续研究中多关注基于时频分析的基线校正方法，深入研究滑冲效应引起的脉冲、竖向地震动中的脉冲特性以及地质构造和断层破裂过程等因素对脉冲特性参数的影响。     

近断层高架连续梁桥地震易损性与振动台试验研究

与远场地震动相比,近断层地震动长周期成分丰富、存在速度大脉冲效应,对柔性结构桥梁具有更高的震损能力。高架连续梁桥是一种常见的桥梁结构型式,距离断层较近时在地震中可能会发生更为严重的破坏。以一座典型四跨高架连续梁桥为例,对比了远场地震动和含速度脉冲近断层记录输入下的地震易损性规律,并通过缩尺模型振动台试验得到了典型近断层地震动输入下的动力响应。结果表明:与远场或设计地震动相比,含速度脉冲的近断层地震动输入下高架连续梁桥的地震易损性更高,在分析桥梁系统易损性时应综合考虑桥墩和支座的损伤指标,振动台试验结果验证了典型近断层地震动输入下高架连续梁桥动力响应更大。     

简谐波地震动反应谱研究

简谐荷载作用下单自由度体系的动力反应是典型的结构动力学问题,也是地震工程中研究结构地震反应的基础。对简谐地震动反应谱特性的研究有利于认识地震动、尤其是近场地震动的特性以及它对结构地震反应的影响。基于结构动力学的基本理论,推导了简谐地震动作用下,单自由度体系的理论解、瞬态解和稳态解。分析了简谐地震动全解反应谱、稳态解反应谱和瞬态解反应谱的特性并讨论了它们之间的关系。研究结果表明:在简谐地面加速度作用下,高频地震动也可以引起长周期结构产生很大的位移反应,且最大位移反应出现在结构的瞬态自由振动阶段。这不仅揭示了近场地震动对结构反应的重要影响,也从另一个侧面揭示了近场地震动的潜在破坏作用,而且提出了在近场情况下结构抗震不可忽略结构的瞬态自由振动影响的观点。