上下盘断层参数对RC框架结构地震响应研究(Ⅰ:非隔震)

为系统研究上下盘断层参数对钢筋混凝土框架结构动力响应的影响,首先建立并验证了4层、8层、12层及16层涵盖常见周期范围的四类RC框架结构,其次以622条上下盘地震动记录为评判标准,针对三种NGA地震动衰减关系模型(ASK模型、CB模型和CY模型)开展最优拟合方法优选工作,最后基于最优模型拟合得到的160条上下盘地震动,进一步探讨了震级、土体剪切波速、断层倾角、上界埋置深度等参数与上下盘地震动PGA之间的关系,研究了上下盘断层参数对四类RC框架结构动力响应的影响规律。结果表明,ASK模型能够很好地模拟上下盘地震动,与实际地震记录吻合度最好;上下盘地震动PGA随场地距离的减小而不断增大、随震级增大而不断增大,断层倾角仅在上盘场地距离20 km以内时对PGA有较大影响,土体剪切波速和上界埋置深度对PGA影响不大;四类框架结构的动力响应均随场地距离和土体剪切波速的减小而增大、随震级和结构高度的增长而增大,在下盘场地距离一定时断层倾角和上界埋置深度对结构动力响应基本无影响;上盘地震动对低层框架结构动力响应的影响较大,下盘地震动对高层框架结构动力响应的影响较大。     

倾斜场地中逆断层错动对上覆土体影响的模型试验研究

基于设计的断层错动装置和PIV技术,研究了倾斜场地条件下逆断层错动导致上覆土体破裂的过程,重点分析了场地倾斜对破裂带的扩展规律、土体变形和地表变形等的影响。研究结果表明:随着场地倾斜程度增大,破裂带露头时的基岩错动位移也随之增大;不同倾斜场地的破裂带露头倾角均与Rankine理论预测结果更为一致,而Roscoe理论和Vermeer理论的预测结果均有较大误差;断层错动过程中上盘土体应变（剪应变、正应变和等效应变）均大于下盘土体;随着地表倾斜程度增加,露头时刻地表位移和地表位移梯度均随之增大;同时,结合现场实测数据,对建构筑物与断层的避让距离的研究表明:相较于下盘,上盘地表建构筑物的断层避让距离应更大;而随着场地倾角由正变为负,上盘地表建构筑物的避让距离还应增大。     

地震动随场地深度变化的相干性分析

目前有关地震动相干性研究基本上是限于自由场地的地面运动相干性问题。为探究地震动随场地深度变化的相干性,寻求一种适用于不同类型场地随深度变化的地震动相干函数模型,以日本KiK-net台网采集的2 679对地震动记录为基础,利用随机振动理论和数字信号处理技术对不同类型场地随深度变化的地震动相干性问题进行了研究。通过对水平向地震动分量相干函数计算值的拟合,建立了一种适用于不同类型场地的水平向地震动随深度变化的相干函数模型,并进行了参数回归分析。分析结果表明:震级及震中距(200 km)对相干函数的影响可忽略不计;剪切波速对相干函数产生较大的影响,与浅层土相比,深层土剪切波速的影响更大;水平向地震动的相干函数值随深度和频率的增大呈指数形式衰减;相较于深度的影响,频率对相干函数值衰减速率的影响更加明显。在对地震动相干函数值的估计中,场地条件是不容忽视的因素,随着场地由硬变软,相干函数值随深度的衰减愈来愈快。     

汶川地震中SDOF体系地震输入能量需求的研究

基于汶川地震断层距150km内112条水平分量加速度记录,分析断层距、场地类型、地震动持时、上盘和下盘效应、方向性效应对SDOF(single degree of freedom)体系弹性地震输入能的影响。结果表明:近断层断层距30km范围应考虑加速度峰值增大对输入能显著提高的影响;场地越软输入能越大,输入能谱的特征周期并不随着场地越软而向右移动;地震动持时对输入能谱峰值相应周期的结构影响显著,持时越长,输入能谱峰值越大。近断层下盘效应和方向性效应对地震输入能有显著影响,断层距大于30km范围内,下盘效应使中、长周期结构的地震输入能显著提高。     

近断层水平地震激励下巨-子三维隔震结构振动台模型试验

将三维隔震层从地面标高上移至巨-子结构(巨型框架-子框架结构体系)的各子结构底部,可以解决高层三维隔震结构摇摆反应明显的问题,且整体隔震结构不再受高宽比限值的制约。设计加工了一个3层巨型框架结构模型,底层大空间,上部含有2个次框架。在2个次框架底部与主框架楼板相连部位安装4个三维隔震支座;进行了近断层及远场罕遇水平地震激励下,巨-子抗震结构和巨-子三维隔震结构的地震模拟振动台对比试验和数值分析。结果表明:巨-子三维隔震结构将隔震层上移至次框架底部并未延长结构的基本周期。次框架和主框架的动力响应减震效果显著,近、远场及场地类型对隔震率没有明显影响。由于近断层地震动的脉冲效应及其长周期成分与结构周期更接近,近断层激励下次框架和主框架的动力响应比相同场地的远场地震动大10%~20%,Ⅲ类场地近断层地震激励下的结构响应比Ⅱ类场地大10%~25%。     

长周期地震动下大跨空间结构空气弹簧-摩擦摆三维隔震体系振动控制分析

该文将新型空气弹簧-摩擦摆三维隔震支座应用于大跨单层球面网壳中,探讨了长周期地震动对三维隔震体系振动控制效果的影响规律。该三维隔震支座可有效降低结构在地震动作用下的响应,当地震动峰值加速度(PGA)相同时,普通地震动下的隔震效果最优,近断层脉冲型地震动下隔震效果次之,远场长周期地震动下隔震效果最差。该现象与长周期地震动与和长周期隔震结构之间的类共振效应有关。随着支座刚度的减小,普通地震动和近断层脉冲地震动作用下的隔震效果提高,远场长周期地震动作用下的隔震效果降低。远场长周期地震动低频分量丰富,其反应谱具有典型的双峰特性,导致结构响应在长周期段随结构周期的延长而增大。进行三维隔震设计时,建议传递比TR取值大于0.2,既保证隔震效果,又能控制三维隔震支座竖向位移响应在设计极限位移内。     

近断层脉冲型地震动作用下高层建筑组合隔震的减震性能研究

近断层地震动中的长周期、短持时、高能量的加速度脉冲将对长周期高层隔震结构的减震性能产生不利影响,尤其易使LRB(lead-rubber bearing)支座产生超限变形,导致在大的面压与位移共同作用下发生剪压破坏;此外,考虑土-结构相互作用(SSI效应)后隔震结构将产生动力耦合效应,可能进一步放大隔震结构地震响应。提出滑板支座、复位装置相结合的新型组合隔震系统,利用滑板支座承担大的竖向荷载、复位装置因不承担竖向荷载而获得更大的变形能力且起隔震层自复位作用。考察近断层脉冲型地震动作用下长周期高层隔震结构的地震响应规律,揭示隔震体系的损伤机理。基于集总参数SR(sway-rocking)模型,分析不同场地类别与不同地震动类型对隔震体系动力响应影响规律。结果表明:近断层罕遇地震下LRB隔震系统因变形超限而失效;新型组合隔震系统能保证近断层脉冲型地震下隔震的有效性,且具有较为良好的减震性能,但相比普通地震动减震效果变差;对于Ⅲ,Ⅳ类场地类别,考虑SSI效应使隔震体系的刚度弱化,致使层间位移角增大,且随着土质的变软增大的幅度也越明显。     

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。     

核电厂隔震结构支座力学性能多因素耦合地震响应研究

针对隔震支座力学性能与水平变形及竖向荷载的耦合特性,对其进行水平、竖向力学性能相关性试验研究,并输入12条剪切波速不同的地震波,对比分析考虑耦合特性与非耦合特性对核电厂隔震结构在地震作用下动力响应的影响。结果表明理论耦合力学模型与试验结果一致;数值结果显示AP1000在地震作用下考虑耦合模型同一工况下的隔震层竖向刚度衰减大于水平刚度衰减;不同地震动因剪切波速的差异对核电隔震结构的响应有较大影响,对于剪切波速较小的软土场地,双向刚度衰减程度最为显著;考虑耦合效应模型上部结构的位移响应显著大于非耦合模型。在超设计基准地震下其位移响应和刚度衰减率都有突变趋势,表明考虑耦合效应模型的支座会进入屈曲破坏阶段,上部结构进入突变倒塌。因此对超设计基准地震下核电隔震结构响应不考虑支座力学性能的耦合将低估结构地震响应。     

基于地震动加速度反应谱的三维隔震结构摇摆性能研究

三维隔震结构在地震作用下存在显著的摇摆现象,影响三维隔震技术的隔震效果。而不同类型的地震动作用对三维隔震结构的摇摆特性影响不同。由此提出一种基于地震动竖向与水平向加速度反应谱谱值之比对三维隔震结构摇摆性能进行评估的方法,并利用有限元模拟进行验证。基于1567条不同类型的地震动记录,分析不同震源机制、震中距、场地类型对三维隔震结构摇摆特性的影响规律。结果表明,震源机制、震中距、场地条件对三维隔震结构摇摆的影响显著。当不同地震动作用调幅后结构竖向加速度响应相同时,在典型三维隔震结构隔震周期范围内（水平向2.0～5.0 s,竖向0.3～1.0 s）,逆断层和走滑断层地震动相比正断层地震动所造成的三维隔震结构摇摆角更大;远场地震动相比近场地震动所造成的三维隔震结构摇摆角更大;地震动在软土场地条件下相比其在硬土场地条件下所造成的三维隔震结构摇摆角更大。     

跨越地裂缝框架结构振动台试验及数值模拟研究

为研究地震作用下跨地裂缝框架结构的破坏机理和地裂缝场地的动力响应规律,以西安地裂缝f4为背景,根据模型相似关系,对跨越地裂缝框架结构进行了缩尺比为1∶15的振动台模型试验。同时采用有限元软件ABAQUS建立了地裂缝场地土和上部结构共同作用计算模型。通过计算结果与试验结果的对比,表现出较好的一致性,验证了数值模拟分析方法的可行性。分析结果表明:地裂缝场地对土层加速度有放大效应,在靠近地裂缝的上盘处放大作用最为明显;地裂缝场地对框架结构的动力响应有较大影响,且上盘对结构的影响大于下盘;结构的破坏与地震波的类型和强度有关。研究成果为跨越地裂缝结构设计提供了参考。     

基于静力推覆分析的穿越地裂缝浅埋地铁车站地震破坏模式研究

以处于西安f₄地裂缝场地的浅埋地铁车站为研究对象,通过开展振动台试验,探讨了地裂缝场地和结构的震害特征。同时,考虑场地地震响应的非一致性,采用静力推覆分析方法,分析了穿越地裂缝浅埋地铁车站的地震破坏模式。结果表明：针对地裂缝场地地下结构的Pushover分析方法能够较真实地反应地震作用下地裂缝场地的活动特征和地下结构的破坏特点。在水平地震作用下,趋于稳定状态的地裂缝上、下盘土体主要进行张合活动(相互挤压与分离)。其中,相互挤压会对结构中柱施加明显附加压弯作用。地裂缝场地土体的水平剪切变形是结构破坏的主要外在因素,而地裂缝活动造成的附加压弯作用会进一步增大中柱轴压比,降低中柱的变形能力,加速结构的地震破坏。在地裂缝场地特征变形作用下,结构底层中柱水平剪切变形能力相对较弱,且结构剪力表现出明显的空间分布规律,上盘结构底层中柱是结构的抗震关键构件。研究结果对该类结构的抗震设计具有重要参考价值。     

在上下盘差异沉降作用下跨越地裂缝框架结构地震响应研究

地裂缝对结构是严重安全隐患。为研究地裂缝上下盘差异沉降及地震作用对框架结构动力响应的影响,以西安f_4地裂缝场地附近框架为研究对象,利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立无上下盘差异沉降地裂缝场地与结构共同作用计算模型,将计算结果与振动台试验进行对比,表现较好一致性;通过对有限元模型施加上下盘差异沉降,定量分析了框架结构加速度、位移及位移角变化规律;计算结果表明:地震作用下,地裂缝场地框架结构各层加速度及位移大于无地裂缝场地结构加速度及位移;地裂缝上下盘差异沉降使结构加速度与位移增大;同时使结构破坏早于无沉降地裂缝场地。其研究成果为深入研究地裂缝上下盘效应对上部结构地震破坏过程和损伤机理提供参考。     

饱和度对准饱和土体中瑞利波传播特性的影响

将水-气等价为一种均匀的流体,可以采用两相孔隙介质理论来模拟准饱和土,基于Bardet根据Biot饱和多孔连续介质的波动方程提出的准饱和土的波动方程,建立了半空间表面透水和不透水两种情况下准饱和土体中瑞利波的频率特征方程,绘制了不同饱和度的瑞利波速与剪切波速的比值及瑞利波速的实部随无量纲频率的变化曲线,固体土骨架和孔隙流体的归一化竖向位移和水平位移(准饱和土体某一深度的位移与饱和土体表面处的位移的比值)随归一化深度(深度与瑞利波波长的比值)的变化曲线,通过比较这些曲线发现饱和度对准饱和土体瑞利波的传播特性的影响很明显,瑞利波速与剪切波速的比值及瑞利波速的实部随着饱和度的增大而增大,而归一化位移则随着饱和度的增大而减小,但饱和度从95%增大到99%时它们增大或减小的幅值要小于饱和度从99%增大到100%时的情况,这为瑞利波的传播规律研究和现场测试与数据分析提供了理论依据.     

不同深度与倾角断层破碎带对Rayleigh波传播及场地地震动反应的影响研究

采用Rayleigh波时域波动输入方法,对Rayleigh波作用下的场地地震动反应进行动力时程反应分析,重点研究了断层破碎带深度与倾角对Rayleigh波传播以及场地地震动反应的影响。结果表明:断层破碎带对Rayleigh波传播及场地地震动反应影响显著。在Rayleigh波入射一侧的断层角点以及距角点较近处,峰值位移反应随着断层深度的增大而增大并趋于稳定,而随着断层倾角的增大其峰值位移反应明显减小;在Rayleigh波入射一侧的中远场地表面,断层深度与倾角对地面峰值位移反应影响很小;在另一侧中远场地面的峰值位移反应随着断层深度的增大而减小,而断层倾角的变化对该侧地面的峰值位移反应影响很小。最后通过改变场地条件进行了适用性分析,结果表明该结论具有较好的适用性。     

铅芯橡胶隔震支座大变形硬化模型及隔震结构弹塑性分析研究

对直径为600 mm和1100 mm的铅芯橡胶支座进行了剪切变形400%的水平大变形剪切试验,试验结果表明支座在240%剪切变形后发生屈服后刚度增大现象,且硬化刚度随剪切变形的增大而增大,400%剪切变形时刚度硬化增加到1.5倍。根据试验结果进一步提出了一种考虑硬化效应的铅芯橡胶支座多线性大变形硬化恢复力模型,并将此模型用于Perform-3D软件中。对8层隔震结构进行不同地震烈度下的弹塑性分析,支座分别采用传统双线性模型与多线性大变形硬化模型,对比分析结构的地震动响应、弹塑性反应谱以及塑性耗能情况。结果表明在大震下隔震支座硬化隔震效果减弱,上部结构加速度增加30%~50%,结构塑形耗能增加,上部结构进入塑性变形状态。研究结果表明隔震设计中大震验算不考虑支座硬化效应会低估结构地震反应。     

不同深度与倾角断层破碎带对Rayleigh波传播

采用Rayleigh波时域波动输入方法,对Rayleigh波作用下的场地地震动反应进行动力时程反应分析,重点研究了断层破碎带深度与倾角对Rayleigh波传播以及场地地震动反应的影响。结果表明：断层破碎带对Rayleigh波传播及场地地震动反应影响显著。在Rayleigh波入射一侧的断层角点以及距角点较近处,峰值位移反应随着断层深度的增大而增大并趋于稳定,而随着断层倾角的增大其峰值位移反应明显减小;在Rayleigh波入射一侧的中远场地表面,断层深度与倾角对地面峰值位移反应影响很小;在另一侧中远场地面的峰值位移反应随着断层深度的增大而减小,而断层倾角的变化对该侧地面的峰值位移反应影响很小。最后通过改变场地条件进行了适用性分析,结果表明本文结论具有较好的适用性。     

高速列车引起半刚性节点装配式结构振动分析

为了研究高速列车运行所引起半刚性节点装配式混凝土框架结构的振动,建立轨道-路基-土体-结构的三维有限元计算模型,研究节点平动和转动刚度对结构3个方向振动响应的影响,分析车速、轴重、距离和土体性质对结构振动响应的影响规律。结果表明,转动刚度的变化对装配式结构振动响应的影响比平动刚度更大;节点刚度变化对结构水平方向振动的影响比竖向更明显;车速和距离对转动半刚性变化引起的X和Y向加速度峰值的减小幅度的影响很小,但会明显影响X和Y向位移峰值的减小幅度;地基土的剪切波速对Y向加速度峰值减小幅度有影响;轴重对X和Y向的加速度和位移峰值减小幅度的影响都非常小。     

考虑震源和场地特征的近断层地区竖向地震动合成研究

近断层高风险条件下的结构安全性日渐受到重视,该文建立了一种考虑震源特性的近断层竖向地震动人工合成方法。建立了以断层类型、震级、断层破裂顶部埋深、断层距、场地剪切波速为参量的地震动预测模型,考虑模型参数相关性并保留其变异性,使模拟的地震动可反映实际近断层地震动的最不利效应(强度与频率非平稳、模型参数的变异性);绘制残差图分析了统计效果,验证了回归所得参数的显著性;对比分析了所提模型与前人成果的模型参数差异,以及人工合成地震动与实际地震动时程、反应谱的吻合程度,验证了所建立的方法的准确性、合理性。该文所提方法参数少(仅7个参数,可考虑强度和频率非平稳性);与乘系数法相比,该文方法模拟的地震动特性更符合竖向记录统计规律;可与目前已有的水平分量地震动模拟方法联合构成三维近断层地震动模拟方法,用于地震风险等级高的结构抗震设防分析与设计,也可在匮乏实际地震动记录的地震风险相近地段替代使用。     

不同层隔震结构在近断层地震作用下动力响应分析

选用天然橡胶支座(LNR)与铅芯橡胶支座(LRB)作为两栋8层钢筋混凝土结构的隔震装置,对其分别输入172条近断层地震波,计算隔震层设置在基础或以上每一层时隔震结构的动力响应,分析近断层地震动对不同层隔震结构动力响应的影响。分析结果表明：隔震结构输入能量小于非隔震结构输入能量,LRB隔震结构的输入能量小于LNR隔震结构的输入能量;随着隔震层的上移,隔震支座位移减小,顶层最大加速度增大。近断层地震动特征参数与不同层隔震结构动力响应参数均存在相关性,但相关程度不同。隔震结构设计要根据建筑结构动力响应的需求,同时考虑隔震层位置与地震动特征参数的影响。