基于强震记录的长周期位移反应谱特征分析

高层建筑、大跨结构和大型储液罐等结构在长周期成分丰富的地震动作用下会产生大变形甚至破坏.基于位移的抗震设计相较于基于力的抗震设计更能反映结构和构件的性态,但其亟需可靠的长周期位移设计谱.为此,选取近年来国内外23次地震的数字强震记录1 787条,分析了不同震级和断层距下长周期位移反应谱(简称位移谱)特性,研究了场地条件对于位移谱的影响,最后对现有位移谱模型的适用性和可靠性进行评价.主要结论包括:震级和断层距主要影响位移谱的幅值;位移谱的形态与震级和断层距基本无关,表现为随着周期的增大位移谱先快速增长,随后缓慢增长,之后趋于稳定或稍微下降至地表峰值位移(PGD).采用PGD归一化的位移谱形态可由3个拐点周期划分为4个阶段,即快速上升段、缓慢上升段、下降段和稳定段.震级对以PGD归一化的位移谱的影响明显,随着震级的增大,归一化位移谱幅值增加,卓越周期变长;小震级(矩震级Mw≤6.5)时,卓越周期为1～2s;大震级(矩震级Mw＞6.5)时,卓越周期为6～10s,甚至更大.场地条件对位移谱的影响与断层距有关,近断层时,场地越硬位移谱幅值在中长周期段(如周期T＞5.0s)越低,但断层距大于100 km时,位移谱与场地条件基本无关;场地条件对归一化位移谱的影响基本可忽略.现有归一化位移谱模型尚存在一定局限:曹加良模型未考虑震级对位移谱模式的影响,且模型不能模拟位移谱在长周期段下降并至PGD的过程;Faccioli模型对于矩震级Mw≥6.5时位移谱特征认识不够,10s周期时位移谱并未达到峰值.     

近场脉冲型地震动位移比谱特征研究

非弹性位移比谱是估计工程结构非弹性位移一种简单而有效的方法.以大量的地震动记录为基础,研究近场脉冲型地震动位移比谱的特征,同时考察场地条件、峰值地面速度与峰值地面加速度比(PGV/PGA)、峰值地面速度(PGV)和最大增量速度(MIV)对近场地震动位移比谱的影响.结果表明近场地震动的脉冲作用在0.2～1.5 s的周期段对位移比谱的影响最大,在此周期段,位移比谱增大了近20%左右;在其他周期段,近场地震动的脉冲作用对位移比谱的影响不明显.通过研究不同地震动参数对近场位移比谱的影响发现,峰值地面速度与峰值地面加速度比(PGV/PGA)是影响近场地震动位移比谱最大的参数,场地条件对近场地震动位移比谱的影响不大.     

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。     

考虑矩震级影响的位移谱阻尼调整系数

基于408条地震地面运动记录统计分析,首先研究了矩震级(Mw)对位移谱阻尼调整系数(DSF)的影响。结果表明:Mw对DSF的影响与周期(T)和阻尼比(ξ)有关;在T0.6 s的范围内,当ξ5%时,DSF随着Mw的增长而增长;当ξ5%时,DSF随着Mw的增长而减小。随着T的增长,Mw对DSF的影响越显著;ξ越远离5%,Mw对DSF的影响越显著。在T0.6 s的范围内,Mw对DSF无显著影响;当Mw=5~6时,DSF受T的影响显著;随着Mw的增大,在T~0.6 s范围内,DSF受T的影响逐渐减弱;当Mw=7~8时,在T0.6 s范围内,除阻尼比为0.5%和1%的DSF外,DSF基本不随T而变化;DSF相对于ξ存在异方差性。然后提出了只考虑周期和阻尼比影响的DSF回归方程,计算出在指定周期和阻尼比处的残差,根据在长周期处该回归方程的残差随Mw显直线分布,最后提出了包含线性矩震级项的DSF回归模型并给出了模型的回归系数。该模型的残差随Mw和相对能量持时(D5-95)的分布表明:模型能体现Mw对DSF的影响,能间接地体现D5-95对DSF的影响。模型的标准差能体现DSF相对于ξ的异方差性。     

远场长周期地震动反应谱拐点特征周期研究

研究远场长周期地震动反应谱两个拐点周期的统计特征以及主要因素的影响规律。考虑震中距、震级和场地类型不同,筛选长周期成分丰富的破坏性浅源强震数字化记录,通过反应谱分析,基于Newmark-Hall模型计算加速度反应谱第一下降段特征点周期和第二下降段特征点周期,分析特征周期的变化规律。结果表明：第一下降段特征点周期和第二下降段特征点周期随震中距和震级的增大而增大,场地类型对第一下降段特征点周期有显著影响,而对第二下降段特征点周期的影响不显著;震中距和震级与第一和第二下降段特征点周期的秩相关性处于中等偏弱水平,表明该两个特征点周期随震中距和震级而变化,采用单一的震中距和震级估算设计反应谱的特征点周期,并非可靠;第一和第二下降段特征点周期的线性相关性为中等偏弱水平,现有规范以第一下降段特征点周期估算第二下降段特征点周期的线性模型并不适用于长周期地震动反应谱。考虑震中距、震级和场地类型的综合影响,给出了长周期地震动反应谱第一和第二下降段特征点周期的计算模型;依据四类场地上的统计平均值,给出第一和第二下降段特征点周期建议取值,可供规范修订时参考。     

汶川余震加速度记录的反应谱特征研究

利用584组汶川余震Ⅱ类场地加速度记录,研究震级、震中距对水平向反应谱形状的影响以及竖向反应谱与水平向反应谱的差异。研究表明:①震中距较大时,幅值相同的水平地震动反应谱形状受震级影响较大,震级越大,反应谱峰值越小,峰值周期越大;②竖向与水平向反应谱平均比值V/H与震级相关,V/H值随震级增大有增大趋势,规范中V/H取值应考虑震级影响;③震级较大且距震中较远时,竖向与水平向反应谱平均比值V/H在长周期段大于规范规定值2/3,离震中越远,V/H值越大。     

长周期结构弹塑性时程分析的地震波选取

长周期结构在大震作用下进入弹塑性状态,结构刚度退化,周期延长,地震波对应的反应谱与规范反应谱在长周期段的拟合程度对结构的安全性判 断有较大影响。提出长周期反应谱拟合系数作为长周期结构在弹塑性时程分析中地震波选取的依据,通过六千多条强震记录的统计分析,得到不同场地条件 下适用于长周期结构弹塑性时程分析的地震波库,保证所选取地震波对应的反应谱与规范反应谱在3~6s段统计意义上相一致。     

NGA模型概述及其在中国适用性的初步探讨

该文旨在介绍美国下一代衰减关系(NGA)的技术要点和模型建立过程,重点讨论NGA模型对汶川地震的预测值和观测值的比较。通过对Mw7.9级汶川地震的断层距200km以内的基岩场地的地震动参数与NGA模型的预测值进行比较,结果表明:在反应谱短周期段(T<0.5s),观测值比NGA模型预测值略大;而在长周期段(T>1s),NGA模型预测值偏大(预测值与观测值的比值可达3～4)。最后探讨建立中国新一代地震动衰减关系的发展前景和面临的困难。     

弹性单自由度体系能量反应谱研究

根据反应谱计算理论得到了线性单自由度体系在地震作用下的输入能量谱、阻尼耗能谱、滞回耗能谱以及动能谱计算公式,通过数值计算得到了4种不同类别场地土条件下160条强震记录的输入能量谱,研究了输入能量谱的特点。研究结果表明,能量谱曲线可以分为3段,即短周期的上升段、中等周期的平台段和长周期的下降段。场地类别对能量谱平台段有一定的影响。最后,提出了描述输入能量谱的谱形状的3段式曲线方程,回归得到了输入能量谱的简化计算公式,验证了简化计算公式的合理性。     

地震动位移反应谱阻尼修正系数研究

阻尼修正系数（DMF）用于抗震设计规范中校正临界阻尼比高于或低于5%的弹性反应谱。在解耦多参数交叉影响的原则下研究了三个主要地震参数（震级、距离和场地条件）对地震动位移反应谱阻尼修正系数的影响。结果表明，DMF随着结构自振周期增大而逐渐趋近于1；随着震级和距离增大，阻尼比对位移反应谱影响随之增大，DMF曲线更加发散，这意味着通过附加阻尼减小结构地震反应对于大震和远震更加有效；场地条件对DMF的影响仅限于近场范围，但无法归纳出明显的影响规律，且随距离增大，不同场地对应的DMF之间的差异逐渐缩小。通过人工合成地震动数值试验，分析加速度反应谱与位移反应谱DMF曲线，得出结论：地震动频谱分量随频率的相对变化速度，对位移反应谱DMF曲线起控制性作用。最后提出了适宜于抗震设计规范采用的DMF公式，并利用实际强震记录数据拟合了DMF公式中的关键参数。