结构随机延性需求谱的理论研究

引入结构屈服水平系数,建立了结构的延性需求谱,使地震动的幅值特性和频谱特性可以分开考虑。利用双线性单自由度体系的时程反应分析结果,对延性需求系数的条件分布类型进行了假设检验,通过回归得到了Ⅰ类和Ⅱ类场地上延性系数的条件均值和条件标准差的拟合公式。在此基础上,提出了延性系数的统计参数的计算方法,建立了随机的延性需求谱,进而可获得随机的弹塑性位移反应谱。     

常延性系数弹塑性位移谱及其应用

采用根据我国现行《建筑抗震设计规范》生成的人工地震波,对单自由度体系进行弹塑性时程分析,讨论了滞回模型、屈服后刚度等对弹塑性位移反应谱的影响。在此基础上,建立了8度设防、Ⅱ类和Ⅲ类场地、设计地震分组为第一组、位移延性系数μ为1~8的单自由度体系最大弹塑性位移与周期的关系,即常延性系数弹塑性位移谱。通过算例,介绍了常延性系数弹塑性位移谱在房屋结构基于位移抗震设计中的应用。     

基于位移目标的性态谱

达到位移目标时确定结构的地震需求, 是性能抗震设计的一个重要课题。研究了结构位移目标, 确定了位移性能目标参数, 推导了单自由度结构体系的位移性能目标与周期的关系。将1085 条地震波, 输入到不同周期的单自由度弹塑性动力微分方程, 调整地震动, 反复迭代, 达到位移目标, 获得地震需求与周期、位移目标之间的函数关系, 建立了具有统计意义的三维坐标下的性态谱, 并拟合了性态谱的计算公式。研究表明:性态谱是反映不同位移目标下结构地震需求的一种有效方法。性态谱曲线随着结构周期的增大明显减小, 并随着位移目标的增大, 逐渐增大。性态谱曲线已无平台段, 与场地的共振效应消失, 场地对性态谱的影响总体不明显。性态谱可快速地、简便易行地预测达到不同性能目标时结构的地震需求, 拟合的性态谱计算公式可进行结构抗震性能评估。     

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.     

竖向不规则结构的抗震性能评估

摘要：本文基于模态Pushover方法和等强度延性需求谱理论,给出了竖向不规则结构评估的方法和步骤。通过模态Pushover方法,以考虑竖向不规则结构在地震作用下高振型的影响,利用等强度延性需求谱对等效单自由度体系进行计算,得到其延性和位移需求,并转化为多自由度体系的位移需求。利用上述方法对典型的竖向不规则结构算例进行了分析计算,结果表明该方法能够有效应用于竖向不规则结构的计算。
     

考虑退化、捏拢和双向耦合效应的等强度延性需求谱

传统的等强度延性需求谱通常难以有效地考虑强度退化、刚度退化、捏拢效应以及双向恢复力耦合效应的影响。鉴于此,基于双轴Bouc-Wen-Baber-Noori模型,建立了双向地震激励作用下单质点双自由度体系非弹性地震反应谱的基本方程,并定量分析了强度退化、刚度退化、捏拢效应和双向恢复力耦合效应对结构地震延性需求的影响,进而分别建立了等强度延性需求的均值谱和标准差谱的预测方程。分析结果表明:强度退化、刚度退化和捏拢效应会增大结构的地震延性需求;双向恢复力的耦合效应对地震延性需求的影响,取决于结构沿两个主轴方向地震耗能能力的相互竞争;退化、捏拢和耦合效应会明显增大结构地震延性需求的标准差,且非线性程度越高,随机性表现越明显;随着结构沿两个主轴方向自振周期的增加,等强度地震延性需求的均值和标准差均逐渐减小。     

连续梁桥横桥向等位移准则

首先分析了单自由度等位移准则与结构屈服程度的关系,然后针对典型连续梁桥的特点,定义了名义屈服位移和名义屈服曲率,并通过改变主梁特性、桥墩特性和地震动输入等进行参数分析,将等位移准则由单自由度推广到多自由度。研究表明,当连续梁桥的主要振型的周期均大于对应单自由度等位移准则的周期下限,并且主要振型的质量参与系数之和超过90%时,非线性时程方法得到的位移与弹性反应谱方法得到的位移接近,等位移准则成立,可以采用弹性位移评估其非弹性位移。多自由度等位移准则的应用较大程度简化了相当一部分连续梁桥的横桥向位移需求的计算,为其基于位移的抗震设计提供了基础。     

自复位防屈曲支撑结构动力位移反应的关键参数

自复位防屈曲支撑特殊的恢复力模型使得安装有这种支撑的结构在地震作用下的反应与传统结构大不相同,因此开展此种结构抗震性能的研究十分必要。该文首先根据较高的性能目标提出一种简单且足够精确的自复位防屈曲支撑结构的恢复力模型;然后结合单自由度自复位防屈曲支撑体系的运动方程确定影响该种结构地震位移反应(即最大非线性位移及位移比谱)的所有独立参数;并证明了无刚度和无强度退化结构的非线性位移比与地震动的幅值无关。最后通过两个例子证明了该文的结论。     

竖向不规则钢筋混凝土框架结构基于性能的抗震评估方法

考虑结构在地震作用下不同反应阶段的动力特性,根据结构的振型分析,采用振型反应谱法,建立了结构在不同地震作用水平下的弹塑性需求曲线族,即结构的层间剪力－层间位移需求曲线,结合结构的能力曲线,提出了以楼层为研究对象的层间能力谱法。通过对一个竖向不规则框架结构的抗震性能进行评估,对层间能力谱法的使用方法和应用原理进行了详细的阐述,并与能力谱法果进行了对比,结果表明层间能力谱法可以有效的判别出结构的薄弱层、识别结构各楼层在地震作用下所处的受力状态     

考虑双向地震激励的标准化地震输入能量反应谱研究

以往地震输入能量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, 没有考虑地震动的多维性和结构非线性反应的空间耦合性。于是, 建立单质点双自由度体系, 假设体系的弹塑性关系为满足二维屈服面函数的理想弹塑性形式, 基于此模型提出双向地震动作用下标准化的地震输入能量反应谱理论。以硬土、中硬(软)土和软土三类场的地震记录作为体系的双向激励, 建立统计平均的等延性系数标准化地震输入能量谱。分析场地类别、延性系数、两水平主轴方向周期比对标准化地震输入能量谱的影响。分析表明:各类场地分别具有独自的谱形特征和规律性;延性系数对硬土场地和中硬(软)土场地的谱值影响较明显, 而对于软土场地, 除长周期外影响很小;周期比 ζ 对谱值具有一定影响;基于单自由度体系建立的输入能量谱在某些情况下会高估能量反应。     

基于性能的桥梁结构概率地震需求分析

该研究以概率地震需求分析为基础,建立了某特大桥梁结构无阻尼器和有阻尼器动力非线性模型,用增量动力分析,得到支座最大相对位移的地震响应,并定义了两个性能水准。给出了结构的易损性曲线,并对两个结构的易损性曲线进行了比较,结合地震危险性曲线,得到结构在50 年内的地震需求危险性曲线。研究结果表明:不加阻尼器时50 年内发生碰撞的超越概率接近极限超越概率,加阻尼器后能很好的满足性能水准要求;在小震中阻尼器对结构的抗震性能提高不是很明显,而在大震中能够对结构的抗震性能提高很多。     

Probabilistic seismic analysis of a steel frame structure

In this study we present a probabilistic seismic analysis of a steel frame structure to generate fragility curves and to investigate the correlation between the response modification factor and the system ductility factor. As an example, we use a five-story hypothetical steel frame structure located in New York City and designed according to the provisions specified in the ANSI standard A58.1-1982 and the AISC ASD specification. We quantify uncertainties in seismic and structure parameters that define the earthquake-structure system by choosing several representative values for each parameter. Then, by using the Latin hypercube sampling technique, we combine these representative values to establish 18 samples of the earthquake-structure system for probabilistic seismic response analysis. The nonlinear seismic analysis is performed by using the DRAIN-2D computer program.For fragility analysis, we define five limit states representing nonstructural damage to collapse of structure and then establish the probabilistic structural capacity corresponding to each limit state. From the probabilistic structural response and capacity, the limit state probabilities at various levels of peak ground acceleration can be computed and used to construct the fragility curves. For the response modification factor R_μ, we perform nonlinear and corresponding linear analyses of the 18 samples subject to earthquakes with various levels of peak ground acceleration. The correlation between the R_μ, factor and the system ductility ratio is presented. Note that this correlation is based on one steel frame structure. Additional studies are needed to establish appropriate R_μ factors for the design of steel structures.     

基于多元增量动力分析（MIDA）方法的RC核心筒结构地震易损性分析

RC核心筒结构在水平双向地震荷载作用下,结构地震响应的耦合作用会严重削弱筒体的变形能力和延性性能,加剧筒体结构破坏程度。本文引入地震动入射角来模拟结构可能遭遇到的更为客观、实际的水平双向地震激励,基于传统IDA方法,采用拉丁超立方体网络抽样法考虑地震动强度及地震动入射角对结构的共同影响,提出了多元增量动力时程分析(MIDA)方法。基于MIDA方法,利用有限元分析软件Perform-3D对20层RC核心筒结构进行多元增量动力时程分析,获取了能反映结构抗震性能的MIDA曲线,并基于性能定义出结构的四个极限性态点,进而获得结构的地震易损性曲线,对结构的易损性能进行了分析和评估。     

基于PSHA的核电厂近断层抗震设计谱构建方法

核电是一种高效、清洁的能源,随着核电厂未来向内陆区的发展,其可能会遭遇到近断层地震动的影响,但是目前我国核电厂抗震规范设计谱并未考虑近断层地震动。该文首先基于大量实际近断层脉冲型和相应无脉冲地震动记录,研究了脉冲对反应谱的放大效应,建立了修正的近断层脉冲放大系数模型;继而将地震动脉冲效应引入到近断层概率地震危险性分析中,并基于设定断层模型,给出了不同场地类型的一致危险性反应谱;通过对地震危险性结果的分解,分析了对场地最危险震级和距离,并将结果引入地震动衰减关系中得到设计谱,最后通过近断层脉冲放大系数对设计谱进行修正,得到考虑近断层脉冲效应的核电厂抗震设计谱。通过研究,建立了一种基于概率地震危险性分析框架下,考虑近断层脉冲型地震动的工程场地核电厂抗震设计谱的构建方法。     

非弹性体系地震动力响应分析的新型单轴Bouc-Wen模型

对经典的单轴Bouc-Wen模型进行改进,研究建立了可以综合考虑P-效应、捏拢效应、强度退化、刚度退化、应变硬化等典型滞回特性的新型单轴Bouc-Wen模型。根据非弹性单自由度体系在69条强震记录作用下的动力响应,定量地分析了P-效应对地震延性需求的均值和变异系数的影响,进而建立了地震延性需求的经验概率分布模型和预测方程。计算结果显示:由重力引起的P-效应对地震延性需求的影响较大,而由竖向地震激励引起的P-效应的影响很小;地震延性需求与震级、震中矩、剪切波速等参数之间的线性相关性较小;对于短周期体系,可以采用Lognormal或Frechet分布来描述地震延性需求的概率分布,而对于长周期体系,采用Frechet分布则更为合理。     

基于改进能力谱法的砼框架Pushover分析

基于钢筋砼杆件截面的轴力-弯矩-曲率关系,建立了考虑杆件P-Δ效应和剪切变形且能分析框架极限状态的非线性有限元法。提出了改进能力谱法,定义了砼框架结构唯一的延性系数,确定Pushover曲线的极限状态点为性能点,通过性能点位于由延性系数所折减的非弹性需求谱曲线上的条件,求出框架的最大抗震谱加速度,评估框架的抗震性能。兼顾承载能力,得出相对受压区高度0.25―0.35,轴压比0.6―0.8的框架,具有较好的抗震性能。     

钢筋砼结构非线性随机地震响应分析

考虑地震作用和结构参数的随机性,建立了钢筋砼结构药非线性随机动力学模型。文中导出了随机结构动力分析的非线性随机有限元法的增量列式,并据此对多层钢筋砼结构进行了弹塑性随机地震响应分析。计算结果与该建筑物的实际震害作了对比,效果良好。还讨论了动力模型中随机变量对响应量的影响。     

第二代基于性能地震工程中的地震易损性模型及正逆概率风险分析

第二代基于性能地震工程理论中的地震易损性主要是指结构构件以及非结构构件的抗震能力,与传统地震风险理论中的地震易损性定义和内涵并不相同。为了澄清二者的不一致性,首先介绍传统地震风险理论中地震易损性的定义和概率模型,然后指出第二代基于性能地震工程理论存在五个层次的地震易损性模型:地震需求易损性模型、抗震能力易损性模型、地震损伤易损性模型、地震损失易损性模型和抗震决策易损性模型,指出了这五种模型的区别及其相互关系,推导得到了地震需求易损性模型和地震损伤易损性模型分布参数的解析表达式。在此基础上,根据不同的不确定性传递路径,提出了正向PBEE和逆向PBEE的概念,以通过不同方式求解第二代基于性能地震工程理论的风险积分公式。基于地震危险性函数的近似表达式以及地震易损性模型及其分布参数的解析表达式,通过正向PBEE和逆向PBEE方法,分别得到了具有相同表达形式的工程需求参数EDP、地震损伤DM和决策变量DV三个层次的概率地震风险表达式。通过该文的研究,将传统地震风险分析理论与第二代基于性能地震工程理论统一在一致的理论框架之中。