基于深度学习算法的地震动重要持时预测模型EI北大核心CSCD

地震动持时对工程结构地震反应有重要影响,发展可靠的地震动持时预测模型是地震工程一个重要课题。基于日本K-NET和KiK-net在1997—2021年间获得的67813条地震动记录,将地震动记录按照震源类型分为浅地壳地震、俯冲带板间地震、俯冲带板内地震和上地幔地震四种类型,采用深度学习算法,建立了四种震源类型地震的地震动重要持时预测模型,并与传统预测方程进行了对比。结果表明,采用深度学习算法建立的地震动重要持时预测模型具有合理性和可靠性,能够取得良好的预测效果。四种类型地震的地震动重要持时的预测结果差异明显,尤其在震级较大的情况下,所以预测不同类型地震的地震动持时不应采用同一种预测模型。研究结果和结论可供地震动参数预测、地震区划、结构抗震设计和地震危险性分析等工作参考。     

地震动频谱特性和持时对IDA结果影响的研究

地震动记录的选择是增量动力分析的基础性工作。为了研究地震动记录的频谱特性和持时对增量动力分析结果的影响,总结了四种常用的计算地震动记录特征周期方法,建立了地震记录分组,进行了反应谱比较,以建立的地震记录分组为地震输入,结合算例进行了IDA分析,比较了IDA曲线和地震易损性曲线的差异。在此基础上,按两种地震持时原则输入进行IDA分析,分析了地震记录持时对IDA结果的影响。研究结果表明,地震记录频谱特性对IDA的数值大小和离散程度存在较大影响,足够的持时输入有助于获得稳定性好的IDA结果。     

双向地震作用下等延性强度折减系数反应谱研究

目前弹塑性反应谱的研究几乎都是以单自由度体系和单向地震输入为前提的,然而实际地震动的多维性,结构非线性的空间耦合特性使得基于单自由度体系的弹塑性反应谱存在局限性,为此本文进一步发展了双向地震作用下单质点双自由度系统的弹塑性反应谱模型.通过硬土、中硬(软)土、软土场地的178条地震记录作为地震输入,采用了不同以往的方法,建立了基于统计的强度折减系数设计谱.按3类不同场地,分析了延性系数、两水平主轴方向周期比对强度折减系数设计谱的影响.并根据统计结果,给出了便于工程应用的等延性强度折减系数简化设计谱公式.     

地震波的归一化时-频反应谱

在介绍时-频反应谱的基础上,提出归一化时-频反应谱,计算并对比分析了3条常用地震波的归一化时-频反应谱,推断了不同地震波可能对结构地震响应产生的不同影响。分析表明,归一化时-频反应谱有利于分析地震波的工程特性和结构的地震破坏机理,可以反映地震动持时对结构的累计破坏作用。     

基于BP神经网络的RC框架结构地震易损性曲面分析:考虑地震动强度和持时的影响

与短持时地震动相比,长持时地震动会加剧结构的损伤,增加结构的失效概率,因此有必要更充分地研究地震动持时特性对结构地震易损性分析结果的影响。该文提出了一种基于BP神经网络的地震易损性曲面分析方法,使用神经网络模型,综合考虑地震动强度和持时特性对结构地震需求的影响,并进行地震易损性分析,得到不同损伤水平下考虑地震动持时特性的结构易损性曲面。选用3个不同高度的钢筋混凝土框架结构为研究对象,分别选择具有长、短持时特性的2组地震动记录为输入,采用BP神经网络模型建立地震动强度指标与结构响应间的关系,在此基础上得到目标地震易损性曲面,并对该方法的有效性进行讨论。分析结果表明,研究建立的BP神经网络模型精度较高,依据该方法可得到可信的损伤概率分析结果。相比于传统方法,神经网络可以更为有效和准确地建立持时与结构损伤的相关关系,得到考虑持时特性的易损性分析结果。该文的方法亦可进一步拓展,将更多地震动特性纳入地震易损性分析过程,具有明确的应用前景。     

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。     

匹配多目标参数的地震动合成方法

地震动合成方法可为结构抗震设计和评估提供人工地震动时程,目前合成方法一般仅满足与目标谱的匹配,只考虑了地震动的频谱和幅值因素,并没有考虑地震动的持时特征.为了合成与目标区域地震动三要素相匹配的地震动时程,提出了一种应用机器学习合成地震动的方法.该方法应用基于数据驱动的主成分分析方法,从目标区域实际地震动数据库中提取用于...     

新抗震规范反应谱的适用性研究

对《建筑抗震设计规范》（GB 50011）反应谱的阻尼比折减系数、拟相对位移谱等进行研究以说明我国抗震规范反应谱的适用性。基于阻尼减震机理,指出较大的阻尼比除能有效地衰减结构相对位移谱值外,并不能始终如一地衰减反而会放大结构绝对加速度谱值;比较了新旧抗震规范给出的对应于各类场地条件、不同阻尼比的地震影响系数曲线的变化规律、阻尼比折减系数及拟相对位移谱;指出在利用人工地震波对长周期、大阻尼比减隔震结构进行时程分析时需注意的问题。     

地震动持时对考虑梁柱节点区不同破坏模式RC框架的地震易损性影响

地震动持时对非弹性结构的累积损伤和破坏有较大影响,但目前抗震分析设计中对地震动持时的规定是不明确的。从美国太平洋地震工程研究中心地震动数据库中选择具有不同持时和加速度峰值的60条地震动记录（PEER）中选取具有不同持时和加速度峰值的60条地震动记录,并划分为长、短持时两组各30条。利用OpenSees分析软件建立了一钢筋混凝土框架-填充墙结构教学楼的三维空间模型。分别以梁柱节点区不考虑非弹性变形、梁柱节点区考虑钢筋黏结滑移、梁柱节点区考虑钢筋黏结滑移和剪切变形三种工况来依次模拟节点区的破坏模式。以此60条地震动记录为输入进行结构的地震易损性分析,得到在五种损伤水平下,对应于不同工况两组持时记录的结构地震易损性曲线,进而评估地震动持时对考虑节点区不同破坏模式结构抗震性能的影响。分析结果表明,相对于短持时地震动记录,长持时地震动记录使结构在相应损伤水平和工况下的超越概率明显提高;同一损伤水平下,按照梁柱节点区不考虑非弹性变形,考虑钢筋黏结滑移,同时考虑钢筋黏结滑移和剪切变形的顺序,长、短持时地震动记录作用下其超越概率均显著提高,且长持时地震动记录对节点区考虑钢筋黏结滑移和剪切变形结构的影响更为明显。     

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。     

Evaluation of earthquake ground motions by empirical analysis

Abstract

The design ground motion is based on the seismicity and geologic conditions at the site and expressed in such a manner that it can be applied to the dynamic analysis of structures. For the seismic analysis of safety‐related structures, design ground motions are made based on the evaluation of earthquake ground motion by empirical analysis, of which some important features are discussed in the present study: (1) Develop reasonable peak ground acceleration attenuation form for the Taiwan area. The proposed attenuation forms take into account the PGA level at the near‐field which compensates for the insufficiency of the available data base. (2) Generation of spectra compatible time history with multiple damping. By simultaneously matching several spectral curves for different dampings, the conservatism in design based on a single damping spectrum‐enveloping accelerogram, especially for low damping values, may be substantially reduced. (3) Development of a minimum requirement for the power spectral density function, which is a secondary requirement to prevent the design ground motion from encountering severe power deficiency.     

弹塑性SDOF系统的地震输入能量谱

以4种场地土条件下40条强震记录为输入,分析了弹塑性单自由度(Single Degree of Freedom,SDOF)系统的地震输入能量谱,并对地震动强度和SDOF系统参数对地震输入能量谱的影响进行了研究。结果表明:能量谱峰值主要由地震动强度决定,阻尼比和延性系数有很大影响。在长周期范围,延性系数一定时,随着阻尼比的增大,能量谱值也有所增大;随延性系数增大,能量谱值随阻尼比增加而增大的趋势有所减缓。采用归一化方法,根据能量谱的特征建议了简化三段式地震输入能量谱,并根据能量谱分析结果的统计,建议了弹塑性SDOF系统能量谱峰值和能量谱曲线参数的确定方法。     

海域地震动竖向加速度反应谱阻尼修正系数

该文提出了一个用于调整5%阻尼比海域地震动竖向加速度反应谱的阻尼修正系数(Damping modification factor, DMF)模型。基于S-net台网的5680条海底竖向地震动记录，利用DMF比值和Z检验分析了地震类型对DMF的影响，提出了考虑阻尼比和谱周期的DMF模型，与陆域DMF模型进行了对比，并获取了不同阻尼比下的竖向加速度反应谱，最后对残差及标准差进行分析。研究表明：地震类型对DMF的影响可以忽略；可用三次多项式模拟阻尼比对DMF的影响；由于海域地震动特性导致海陆DMF模型之间差异显著；阻尼比能够影响5%阻尼比反应谱1倍标准差的谱值；残差分析表明可引入矩震级、断层深度和震源距改善DMF模型的拟合度。该文提出的海域地震动加速度谱竖向DMF模型，为海域工程多阻尼抗震设计谱的确定提供了参考。     

基于性能的桥梁抗震设计中考虑持时的实际地震波优化选择方法

在基于性能的桥梁抗震设计(PBSD)中,是否考虑持时的效应会显著影响到分析结果的精确性。为了将持时与幅值、频谱的影响进行解耦,选择多组匹配同一目标谱的实际地震波和人工波,并使各组地震波的5-95%显著持时服从不同的概率分布,对一座钢筋混凝土连续梁桥进行IDA分析。对比持时与桥梁结构地震需求的相关性表明:持时的均值、离散度及其概率分布对于位移工程需求参数(EDP)影响较小,但对能量EDP以及包含能量项的疲劳破坏和累积损伤参数的概率预计(均值)、离散度及其概率分布影响显著。因此,在PBSD中如采用能量EDP,则必须考虑到所选地震波的持时均值、离散度及其概率分布均要符合工程场地实际的地震危险性。在此基础上,针对基于全概率理论的PBSD,提出一种能够考虑持时均值、离散度及其概率分布影响的实际地震波优化选择方法,能够显著提高分析结果的精确性和计算效率。     

地震波持时效应的能量评价指标研究

将结构的地震损伤定义为结构在单向振动过程中耗储地震能量能力的降低,并根据损伤成因将结构地震损伤分离为残余位移损伤与退化损伤,基于结构退化损伤的量值来界定地震波持时效应的大小。将结构总输入能、能量增长持时、最大瞬时输入能量比以及90%能量持时作为持时指标,通过 56条地震波下三种周期SDOF结构的损伤分析,分别讨论各持时指标与结构退化损伤之间的相关度。分析结果表明结构总输入能与结构退化损伤之间的相关度最高,同时由于总输入能的求解受结构阻尼模型与滞回模型的影响较小,因此总输入能作为地震波持时效应的评价指标具有较好的准确性与便利性。     

地震动方向对海上风力发电机动力响应的影响

叶轮-塔架耦合及气动阻尼作用使得海上风力发电机前后向、侧向动力特性存在差别。针对NREL 5 MW单桩式海上风力发电机,通过理论分析,探讨海上风力发电机前后向与侧向振型、阻尼特性的差异;然后,针对停机和运行两种工作状态,采用气动-伺服-水动-弹性完全耦合方法,分析输入地震动方向影响海上风力发电机结构动力响应的规律,探讨最不利方向;最后,还分析了平均风速对最不利输入地震动方向的影响。结果表明:输入地震动方向可能显著影响海上风力发电机支撑结构泥面弯矩和塔顶位移幅值;对于运行状态,强震作用下,侧向为最不利输入地震动方向,弱震作用下,前后向为最不利输入地震动方向。     

高层钢结构考虑长周期地震动的减震加固研究

考虑长周期地震动的影响对一高层钢结构进行了减震加固，并对其抗震性能进行了评估。日本东京新宿地区一高层钢结构经历了“3·11”地震，其强震观测系统记录到了有价值的加速度时程数据，为使其成为人流密集区域的避难场所，拟进行减震加固以提高其抗震性能。基于记录数据进行了频谱分析和时频域分析，发现此次地震具有明显的远场长周期和长持时特征，其长周期分量持续到300 s后才逐渐衰减；利用Ai分布地震力研究了结构的非线性特征和损伤分布，并在此基础上采用基于存储刚度的静力分析方法进行了减震优化设计；选取了包含记录数据在内的长周期长持时地震动和一般地震动对减震加固结构进行了非线性动力分析及损伤评估。结果表明:相较于一般地震动，长周期长持时地震动作用下高层结构的减震效果更明显，优化后的减震加固方案使结构的振动衰减较快，不仅减小了结构的最大响应，而且有效降低了构件的损伤数量和损伤程度。衡量钢支撑局部屈曲的累积轴向应变在长周期长持时地震动作用下明显大于一般地震动，故长周期长持时地震动对钢支撑局部屈曲影响较大。